تنظم الإشارات الميكانيكية مجموعة واسعة من العمليات الخلوية، بما في ذلك الالتصاق، والهجرة، والتكاثر، والتمايز، واللدونة المظهرية1,2,3. وقد أظهرت الدراسات في علم الأحياء الميكانيكي أن كلًا من الخلايا العصبية والخلايا الدبقية تظهر حساسية واستجابة ميكانيكية ملحوظة طوال فترة النمو4,5,6,7. وللبحث في كيفية استشعار الخلايا للقوة والاستجابة لها، تم تطوير عدة مناهج تجريبية، تشمل مجهر القوة الذرية (AFM)، وشفط الماصة الدقيقة، والملاقط الضوئية، وأنظمة الزرع القائمة على التمدد، والمنصات المائعية الدقيقة8,9,10,11,12. وقد ساهمت هذه التقنيات بشكل كبير في تطوير دراسة تحويل الإشارات الميكانيكية. ومع ذلك، فإن العديد منها يتطلب اتصالاً فيزيائيًا مباشرًا بالخلايا أو يعتمد على بيئات ميكانيكية اصطناعية محددة مسبقًا، مما يجعلها أقل ملاءمة للتحفيز عن بُعد، والقابل للتحكم الديناميكي، والمتوافق مع التصوير.
يوفر تسليم القوة بوساطة الجسيمات النانوية المغناطيسية استراتيجية بديلة للتحفيز الميكانيكي عن بُعد13,14,15,16,17,18. ونظرًا لأن معظم الأنسجة البيولوجية تظهر استجابة مغناطيسية منخفضة، يمكن للمجالات المغناطيسية المطبقة خارجيًا أن تخترق العينات البيولوجية دون تلامس مباشر، وتؤثر بشكل انتقائي على الجسيمات المستجيبة مغناطيسيًا والتي يتم إيصالها إلى الخلايا أو الأنسجة. وفي وجود تدرج في المجال المغناطيسي، تتعرض هذه الجسيمات لقوى توجيهية يمكن استخدامها لفرض اضطرابات ميكانيكية على المستوى دون الخلوي، أو الخلوي، أو مستوى النسيج8,9. ويعد هذا النهج جذابًا لأنه غير تلامسي، وقابل للضبط، ومتوافق مع التصوير الحي، ومن المحتمل أن يكون قابلاً للتوسع ليشمل أنظمة بيولوجية أكثر تعقيدًا.
تُعد خلايا شوان (Schwann cells) خلايا دبقية شديدة الحساسية للميكانيكا19,20، وتلعب أدواراً حاسمة في تطور الأعصاب الطرفية وصيانتها وإصلاحها21,22. وتعتبر الملاحظة الديناميكية لاستجابات خلايا شوان للتحفيز الفيزيائي أمراً هاماً لفهم كيفية تنظيم القوة لتنظيم الهيكل الخلوي وسلوك الخلية. ومع ذلك، فإن العديد من أنظمة توصيل القوة التقليدية لا تتوافق بسهولة مع المجهر عالي الدقة في الوقت الفعلي. ولمعالجة هذا القصور، قمنا بتطوير منصة تشغيل مغناطيسية نانوية تجمع بين جسيمات مغناطيسية فائقة فلورية (f-SPIONs) تستهدف هيكل الأكتين الخلوي، وجهاز كهرومغناطيسي مخصص متوافق مع منصة المجهر البؤري، وإطار عمل كمي لتقدير القوة. يتيح هذا الإعداد المتكامل التحفيز المغناطيسي عن بُعد والتصوير المتزامن للخلايا الحية في نفس الجلسة التجريبية.
يتضمن سير العمل الموصوف هنا تحضير الجسيمات المغناطيسية الفائقة الفلورية (SPIONs)، والوظيفية الاختيارية القائمة على الفالويدين لاستهداف الأكتين لإنتاج f-SPIONs، وتوصيف الجسيمات النانوية، وبناء الجهاز الكهرومغناطيسي ومعايرة المجال، وتقدير القوة المغناطيسية، والتحفيز المغناطيسي المدمج مع التصوير البؤري في الوقت الفعلي. وعلى الرغم من تحسين هذه المنصة هنا لخلايا شوان، إلا أنها قد توفر إطاراً عملياً للدراسات ذات الصلة في الأنظمة الحية الأخرى المستجيبة ميكانيكياً.