يعد زراعة الخلايا في نماذج ثلاثية الأبعاد ميزة مقارنة بطرق زراعة الخلايا ثنائية الأبعاد النموذجية، حيث يعيد بشكل أفضل تراكيب الأنسجة والتفاعلات بين الخلايا الموجودة في الجسم الحي. الكرويدات هي تجمعات خلايا ثلاثية الأبعاد تسهل التفاعلات المعقدة بين الخلايا والخلية؛ تتأثر هذه التفاعلات في الخلايا التي تنمو كطبقة أحادية على بلاستيك زراعة الأنسجة. يمكن زراعة الكرويدات داخل هيكل يحاكي البيئة الدقيقة التي نشأت منها الخلية. على سبيل المثال، الهيدروجيلز هي مادة حيوية شائعة تستخدم لزراعة الخلايا/الكرويدات لأنها تتيح تحكما دقيقا في معايير مثل الصلابة، وقابلية التحلل، وحجم المسام، ودمج عوامل النمو1 (الشكل 1A). غالبا ما تسبق الإشارات الميكانيكية التغيرات الكيميائية الحيوية في أمراض الأمراض مثل السرطان والتليف 2,3، لذلك، فإن اكتساب التوقيع الميكانيكي الحيوي في النماذج ثلاثية الأبعاد ذات الصلة سريريا للمرض يعد أمرا أساسيا لتطوير تدخلات تشخيصية لتوجيه الممارسة العلاجية وفهم الفيزيولوجيا المرضية الأساسية4.
مجهر بريلوان (BM) هو تقنية تصوير تسمح بقياس الخصائص الميكانيكية للمواد البيولوجية في مستويات ثنائية الأبعاد 5,6,7. يمتلك BM بعض المزايا الرئيسية مقارنة بطرق أخرى أكثر استخداما، مثل المجهر القيطي الذري (AFM) والتصوير المرن. من المعروف جيدا أن AFM يمكنه تحقيق دقة ميكانيكية مكانية زمانية عالية، وأن التصوير المرن يمكنه استكشاف الميكانيكا داخل العينات 8,9. لا يتطلب BM تلامسا مباشرا مع المادة قيد البحث، مما يجعله تقنية مثالية عبر AFM للعينات أو الخلايا التي يصعب الوصول إليها، مثل الكرويدات داخل الهيدروجيلات. ميزة رئيسية أخرى ل BM هي أنه لا يتطلب وضع علامات على العينات ويمكنه توفير دقة على نطاق مجهري داخل العينات البيولوجية، والتي لا يمكن لطرق الإلاستوغرافيا المستخدمة عادة تحقيق7؛ يمكن لتقنيات الاستوغرافيا البصرية المتقدمة العمل بدقةالمجهرية 10. يجب ملاحظة أن الدقة الفعالة الدقيقة في تصوير بريلوين للعينات البيولوجية غير المتجانسة ليست سهلة التعريف. أولا، بالنسبة لطول موجة إضاءة معين، يعتمد ذلك على الخصائص البصرية التي تصف حجم النقطة البؤرية (الفتحة العددية، NA، للعدسة الموضوعية وعتامة العينة). بالإضافة إلى ذلك، تتأثر دقة فحص الخصائص الميكانيكية للعينة، وكذلك شكل طيف بريلوين، بالخصائص الصوتية للمادة (طول موجة الفونون وطول الانتشار)11,12. الظاهرة الأساسية وراء مطيافية بريلوين هي تشتت بريلوين، حيث يتفاعل ضوء الليزر أحادي اللون الساقط مع الفونونات الصوتية التلقائية المستحثة حراريا داخل الوسط البيولوجي. ينتج عن ذلك تشتت غير مرن للضوء (إزاحة تردد بريلوين، BFS) في الشكل 1B ، وعادة ما يكون في حدود عدة جيجاهرتز، واعتمادا على فقدان الفوتون أو اكتساب الطاقة، يتم اكتشاف قمم بريلوين ستوكس ومضادة ستوكس في طيف الضوء المتشتت على التوالي. من خلال اعتماده على سرعة الصوت المحلية في الوسط، يرتبط BFS بمعامل طولي مرن، والذي يرتبط تجريبيا بمعامل يونغ 7,13؛ ومع ذلك، يجب توخي الحذر عند إجراء المقارنات بين هذه المعاملات، حيث (1) ليست مرتبطة مباشرة ببعضها البعض، (2) معامل يونغ عادة ما يكون في نطاق Pa-kPa للعينات البيولوجية والمادة اللينة، بينما معامل الطول المستخرج من بريلوين يكون ضمن نطاق GPa، و(3) يجب أخذ معاملات مثل تغيرات معامل الانكسار وكثافة المواد في الاعتبار7. عرض خط بريلوان (في الشكل 1B) هو مقياس آخر تم الحصول عليه من BM. يرتبط بمعامل الخسارة الطولي، مما يعطي رؤى حول لزوجة العينة؛ يمكن ربط هذه الخصائص باللزوجة المرونة14. لذا، يسمح BM بتقييم خصائص اللزجة المرنة، حيث أن BFS أكبر يعني مادة أكثر صلابة، وعرض خط أكبر يعني مادة أكثر لزوجة (الشكل 1B). يجدر بالذكر أن التشتت المرن (رايلي)، حيث لا تخضع الفوتونات لتغير ترددي، لديه احتمال أكبر بكثير للحدوث مقارنة بتشتت بريلوين. لذلك، يجب تجهيز مطياف بريلوين لقمع إشارة رايلي.
تم استخدام BM لتوصيف الخصائص الميكانيكية لمختلف الأنسجة والمواد الحيوية ونماذج زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال، تم استخدام BM للتمييز بين الميلانوما والأنسجة السليمة المحيطة، مما أظهر أن النسيج غير السرطاني كان أكثر ليونة بكثير من الميلانوما15. أظهر راد وآخرون أن زيادة تركيز البوليمر للهيدروجيلز أدت إلى زيادة BFS وعرض الخط. عند أدنى تركيزات بوليمر، أظهرت الهيدروجيل مع الخلايا انخفاضا أكبر في تحولات تردد بريلوين خلال سبعة أيام مقارنة بالهيدروجيلين الفارغ، والذي اقترح أن يكون ذلك بسبب إعادة تشكيل الخلوية للهيدروجيل. لم يلاحظ ذلك عند تركيز بوليمر بنسبة 10٪، مما يدل على احتمال نقص في قابلية الخلية الموجودة فيهذه الهيدروجيلات.
ومن الأهمية الأكبر لهذه الدراسة، فقد تم استخدام BM لدراسة الخصائص الميكانيكية للكرويدات 17,18,19,20. على وجه الخصوص، يمكن اكتشاف تأثير البيئة الدقيقة المحلية على ميكانيكا الكرويدات باستخدام BM20. مقارنة بالكرويدات الورمية التي تزرع في هيدروجيلز متوافقة، أظهرت الكرويدات المزروعة في الهيدروجيلز الصلبة نسبة BFS أعلى، مما يدل على زيادة معامل المرونة20. يمكن أيضا وصف التغير المكاني للخصائص الميكانيكية داخل الكروي باستخدام BM. على سبيل المثال، وجد أن BFS للكرويدات الورمية يزداد نحو النواة الكروية20,21. علاوة على ذلك، يرتبط انخفاض متلازمة BFS بزيادة التوغل في كرويدات الأورام20. تم استخدام BM لدراسة التغيرات الميكانيكية في الكريات الورمية استجابة للصدمة الأسموزية22. في الدراسة، تم مراقبة نمو الكرويدات على مدى 5 أيام، ووجد أن الفروق الميكانيكية الأولية بين السرطان والكرويدات الصحية التي لوحظت مع الكتلة الجنائية فقدت مع مرور الوقت. وجدت دراسة أخرى زيادة في BFS للكروي بعد 7 أيام، مما عزى إلى زيادة حجم الكروي وعدد الخلايا16.
علاوة على ذلك، أجريت دراسات متعددة الوسائط باستخدام مجهر بريلوين إلى جانب AFM والريولوجيا لاستكشاف الخصائص الميكانيكية للخلايا والهيدروجيلز 16,23,24. استخدم راد وآخرون علم الريولوجيا لوضع الاتجاهات المقاسة باستخدام BM في سياقها، مما أثار وجود ارتباط إيجابي قوي بين معامل الطول ومعامل القص المخزن بالنسبة لتركيز البوليمر للهيدروجيل16. تم استخدام مجهر بريلوين وميكروريولوجيا الملاقط البصرية لقياس ميكانيكا الخلايا السرطانية المزروعة في الهيدروجيلات ثلاثية الأبعاد23. في هذه الدراسة، تم العثور على انخفاض في التغاير الميكانيكي بين الخلايا في الكرويدات مقارنة بالخلايا المفردة المعلقة في الهيدروجيلات.
في هذا العمل، تم تفصيل بروتوكول للتحقيق في الخصائص الميكانيكية للكرويدات الحية المدمجة في الهيدروجيلز باستخدام مجهر بريلوين التجاري (الشكل 1). وصف بيرغاوس وآخرون بروتوكولا يوضح خطوات بناء مطياف بريلوين عالي الدقة وطريقة معايرته باستخدام المواد المرجعية25. علاوة على ذلك، يصف بروتوكول من شي وآخرين استخدام مجهر بريلوين لمراقبة التغيرات في الخصائص الميكانيكية للأنسجة الجنينية26. نستخدم كريات الخلايا الجذعية المتوسطة (MSCs) في هيدروجيلات بولي (إيثيلين) جليكول (PEG)-ماليميد لمحاكاة موضع نخاع العظم ودراسة الخصائص الميكانيكية لهذا البيئة. هذا النموذج ثلاثي الأبعاد لديه القدرة على كشف التوقيع الميكانيكي لأمراض نخاع العظم، بما في ذلك اللوكيميا، والورم النخاعي المتعدد، وسرطان العظام الثانوي. لذلك، يمكن نقل البروتوكول مباشرة إلى نماذج ثلاثية الأبعاد لأمراض أخرى حيث قد يكون لاضطراب علم الميكانيكية دورا مهما في علم الأمراض. تم تفصيل تقنيات تحضير الكروي والهيدروجيل، والتصوير الفلوري، وتقنيات المجهر بريلوين. تناقش الإجراءات الموصى بها، والعيوب المحتملة، والتحسينات المحتملة للتقنية. يتم عرض الوصف التفصيلي لإعداد التجارب في الشكل S1 وضمن قسم المواد الإضافية والأساليب المتعلقة بإعداد التجريب.