Picosecond ultrasonics to probe neuron-like cell stiffness and adhesion

Many fundamental processes in cells, such as migration, proliferation and variation of tissue morphology, depend on the cells ability to respond to the mechanical stimuli sent by the extracellular environment. The aim of this dissertation is to probe cell mechanical properties thanks to laser-generated GHz acoustic waves, using a non-invasive technique known as picosecond ultrasonics. This approach measures the acoustic wave reflected back at the cell-metal interface, revealed by pump and probe spectroscopy. In this work, we applied this technique to probe simultaneously stiffness and adhesion strength of neuron-like cells on metallic substrate, with sub-cell spatial resolution. To this aim, we developed an analysis code for Matlab platform that processes the frequency dispersion of the acoustic wave reflected back at the cell-metal interface. We performed point-specific analysis at each pixel of the acoustic image, as well as overall cell statistics in the thick nuclear region of the cell, finding results in good agreement with the literature, still at its early stage.

Molti processi fondamentali nelle cellule, come la migrazione, la proliferazione e la variazione nella morfologia dei tessuti, dipendono dalla capacità delle cellule di rispondere agli stimoli meccanici inviati dall'ambiente extracellulare. Lo scopo di questa tesi è quello di sondare le proprietà meccaniche delle cellule grazie all’utilizzo di onde acustiche nel regime dei GHz generate da impulsi laser ultracorti, utilizzando una tecnica non invasiva nota come picosecond ultrasonics. Questa tecnica consiste nel misurare l'onda acustica riflessa all'interfaccia tra due mezzi – nel caso in analisi tra cellula e metallo - rivelata tramite la spettroscopia di pump-probe. In questo lavoro, questa tecnica ha permesso di sondare contemporaneamente la rigidità e la forza di adesione delle cellule neuronali su substrato metallico, con risoluzione spaziale sub-cellulare. A questo scopo, è stato sviluppato un codice di analisi per la piattaforma Matlab per elaborare la dispersione in frequenza dell'onda acustica riflessa all'interfaccia cellula-metallo. Per ogni pixel dell'immagine acustica è stata eseguita un'analisi specifica, da cui poi è stata tratta una statistica complessiva sulla cellula riguardante la regione nucleare. I risultati trovati si mostrano in buon accordo con la recente letteratura.