Наномеханические измерения можно проводить как с применением давления к нанопипетке, так и без него. Приложения этого нового метода SICM включают манипулирование молекулами в липидных бислоях и картирование жесткости живых клеток.SICM предлагает большое преимущество для измерения наномеханики, поскольку, в отличие от других методов, таких как атомно-силовая микроскопия (АСМ), нанопипетка не контактирует с поверхностью образца.
SICM обладает способностью оказывать локальное давление на поверхность образца, оказывая давление на отверстие нанопипетки. Например, приложение отрицательного давления заставляет жидкость течь в наконечник пипетки, а при приложении положительного давления вокруг пипетки создается локальное давление, вызывающее вмятину на поверхности образца. Приложение отрицательного давления к кончику нанопипетки можно использовать в молекулярной наномеханике, при этом отрицательное давление заставляет большие молекулы, выступающие из липидного бислоя, двигаться к кончику пипетки, где они оказываются в ловушке. Захват молекул внутри липидного бислоя позволяет исследовать локальную подвижность и организацию мембран-ассоциированных белков.
Приложение положительного давления к кончику пипетки можно использовать для измерения наномеханики отдельных клеток путем смещения поверхности образца. Для картирования клеточной наномеханики используется постоянное давление, прикладываемое к нанопипетке при ее движении по клетке, аналогично скачкообразному режиму в SICM. Ячеистая жесткость измеряется в модуле Юнга [11]. Поскольку нанопипетка не касается поверхности клеток, кончик не загрязняется, и во время каждого сеанса можно проводить несколько измерений жесткости.
При использовании SICM для получения топографических данных с поверхности клетки, когда нанопипетка падает к поверхности, ток через пипетку падает. При приближении к мягкой клетке ток падает гораздо медленнее, чем при падении на твердую поверхность. Это происходит из-за отталкивания между поверхностью клетки и кончиком пипетки. Этот принцип лежит в основе другого метода измерения наномеханики, не использующего приложенное давление.
Этот новый метод основан на деформации капли декана для расчета внутренней силы между кончиком пипетки и поверхностью образца. Капли декана обладают хорошо известными упругими свойствами, поэтому можно рассчитать силу, действующую на поверхность клеток кончиком пипетки. Эта сила затем используется для расчета модуля Юнга поверхности образца [12].
Использование SICM для измерения наномеханики предлагает явные преимущества по сравнению с современными методами, такими как АСМ. Уровень отпечатка для SICM составляет 50–150 нм, тогда как уровень отпечатка на ячейке для AFM составляет 0,5–1 мкм. Это обеспечивает гораздо большую детализацию наномеханических изображений, полученных с помощью SICM.
Топографические и наномеханические изображения SICM
Топографические и наномеханические изображения АСМ
Изображение топографического сканирования SICM (слева) и изображение сканирования жесткости клеток (справа) нейробластомы
Изображение топографического сканирования SICM (слева) и изображение сканирования жесткости клеток (справа) нейронов крысы
Литература
[11] - Sánchez, D. et al. (2008) ‘Noncontact measurement of the local mechanical properties of living cells using pressure applied via a pipette’, Biophysical Journal. Biophysical Society, 95(6), pp. 3017–3027. doi: 10.1529/biophysj.108.129551.
[12]- Kolmogorov, V. S. et al. (2021) ‘Mapping mechanical properties of living cells at nanoscale using intrinsic nanopipette–sample force interactions’, Nanoscale, 13(13), pp. 6558–6568. doi: 10.1039/D0NR08349F.
