اللدائن المغناطيسية الريولوجية الممنقوشة لدفع التغييرات في محاذاة خلايا عضلة القلب
يونيو 10, 2025
نقدم منصة فحص صلابة ديناميكية وقابلة للانعكاس مصنوعة باستخدام مطاط أسطوانة سيليكون فائق النعومة (بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان ، PDMS) مع جزيئات الحديد المدمجة. هذا الاختبار الجديد مناسب لدراسة التغيرات الفيزيائية الناشئة المعتمدة على الوقت في الأنماط الظاهرية للخلايا ، بما في ذلك توجيه الاتصال. هنا ، نقيس محاذاة خلايا عضلة القلب للفئران حديثي الولادة عند تصلب المصفوفة باستخدام المغناطيسية.
نحن نحقق في كيفية استجابة خلايا عضلة القلب للتغيرات الديناميكية القابلة للعكس في بيئتها الميكانيكية، مقلدين التقلبات في الصلابة والبنية التي تمر بها في الجسم الحي. منذ إدخال الطب الطبي العميق، نشرنا عدة دراسات مهمة في مجال أمراض القلب. باستخدام هذه المواد، وجدنا أن تضخم عضلات القلب البالغ المدفوع بالصلابة يعتمد على شبكات الأنابيب الدقيقة.
مؤخرا، اكتشفنا المزيد من المعلومات حول الذاكرة الميكانيكية في كل من الخلايا الليفية القلبية وخلايا عضلة القلب المشتقة من iPSC. أفضل جزء في استخدام المطاطات المغناطيسية الهيولوجية هو بساطتها. بروتوكولاتنا بسيطة كما يبدو، مجرد مزيج من منتجات جاهزة تعمل معا لصنع شيء قوي.
إنها طريقة سهلة الاستخدام تجعل العلوم المتطورة متاحة للجميع. وقد مهد هذا الطريق لنماذج مرضية أكثر واقعية، خاصة في حالات مثل فشل القلب، حيث تتغير آليات الأنسجة باستمرار. كما يساعد الباحثين في تصميم مواد حيوية أكثر ذكاء وتكون عالية الضبط وديناميكية وقابلة للعكس.
ركز فريقنا بشكل رئيسي على أمراض القلب، لكن مؤخرا وسعنا نطاق الديناميكية الأكثر صلابة لأنواع MRE من 5 كيلوباسكال إلى 400 كيلوباسكال. هذا الإنجاز يفتح لنا الباب لتوسيع أبحاثنا والتعاون في أعضاء أخرى تتجاوز القلب. للبدء، اخلط القاعدة وعامل المعالجة بنسبة 10 إلى 1 لتحضير 10 جرامات من 184 بولي ديميثيل سيلوكسان، أو PDMS.
اسكب خمسة جرامات من 184 PDMS في طبق بترى بقطر 35 ملم. ثم ضع الطبق في مجفف وقم بإزالة الغازات لمدة تتراوح بين خمس إلى عشر دقائق حتى تتلاشى جميع الفقاعات. اترك 184 PDMS لتجف جزئيا لمدة 30 دقيقة في الفرن عند درجة حرارة 60 درجة مئوية.
عندما يتبقى خمس دقائق للتصويب، ضع طبقة رقيقة من 184 PDMS إضافية على سطح شبكة الحيود. ضعه في مجفف لإزالة الغازات لمدة تقارب خمس دقائق. الآن، أزل طبق بتري بقطر 35 ملم الذي يحتوي على 184 PDMS المعالجة جزئيا من الفرن.
اقلب شبكة الحيود مع PDMS على 184 PDMS التي تم معالجتها جزئيا في الطبق. اضغط برفق على شبكة الحيود حتى تحيط بها كمية صغيرة من PDMS. استخدم ال 184 PDMS المتبقي غير المعالج لملء الطبق المحيط بالشبكة لضمان بقائه في مكانه أثناء التصلب.
ثم ضع الطبق في فرن مضبوطه على 60 درجة مئوية لمدة ساعة ونصف. بعد التصويب، أزل الطبق مع المبكي من الفرن. استخدم مشرطا لتقطيع حول شبكة الحيود.
ضع كمية صغيرة من كحول الأيزوبروبيل لاختراق تحت شبكة الحيود. اسحب الشبك عن PDMS في الاتجاه الموازي للأنمطات. أزل أي PDMS زائد، مع ترك القسم المزخرف فقط سليما.
ثم قص ختم PDMS إلى الحجم المطلوب. حدد اتجاه النمط على طبق MRE. لتغطية الطابع بالسيلان، ضع الطابع المصنع 184 PDMS داخل منظف بلازما الأكسجين بحيث يكون السطح المزخرف مواجها للأعلى.
عالج السطح ببلازما الأكسجين بقوة 45 واط لمدة 30 ثانية. ضع طوابع PDMS المعالجة 184 داخل مادة تجفيف موضوعة داخل غطاء بخار. الآن، مزق غطاء أنبوب الطرد المركزي الدقيق.
ضع غطاء أنبوب الطرد المركزي الدقيق بجانب أختام PDMS داخل جهاز المجفف. بيبت 20 ميكرولتر من السيلان إلى غطاء أنبوب الطرد المركزي الدقيق. أغلق المجفف واسحب مفرغا لبدء طلاء البخار.
لتحضير MRE، قس الكمية المطلوبة من مخفف السيليكون وجزء ب من إيكو. اخلطهما بسرعة 2,500 دورة في الدقيقة في خلاط سرعة لمدة دقيقة واحدة. أضف جزيئات إيكو-إيلاستومر الجزء A وجزيئات الحديد الكربونيلي إلى الخليط وامزج مرة أخرى بسرعة 2,500 دورة في الدقيقة لمدة دقيقة واحدة. باستخدام ماصة نقل مع قطع الرأس، يتم توزيع خمسة جرامات من خليط MRE في طبق بترى جديد بقطر 35 ملم.
انزع الغازات في مجفف لمدة تقارب خمس دقائق، ثم يجفف جزئيا لمدة 10 دقائق في الفرن عند 60 درجة مئوية. عندما تبقى خمس دقائق على التصلب، استخدم ماصة نقل لإضافة MRE غير معالجة لتغطية السطح المنقوش لختم PDMS. ضع الطابع المطلي في مجفف لإزالة الغازات لمدة خمس دقائق.
أخرج طبق MRE المعالج جزئيا من الفرن. باستخدام الملقط، اقلب الطابع المطلي مقلوبا على سطح MRE واضغط برفق. حدد اتجاه النمط على طبق MRE.
أعد التجميع إلى الفرن عند درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 25 دقيقة إضافية. بمجرد أن يتم تصلب المادة بالكامل، استخدم مشرط لتقطير النموذج الصغير على الحافة السفلية للطابع في اتجاه عمودي على خطوط النمط. ضع كمية صغيرة من كحول الأيزوبروبيل على منطقة القطع حول الطابع.
ثم استخدم الملقط لسحب ختم PDMS من الإطار الموحد في الاتجاه الموازي للنمط. قم بتعقيم سطح ال MRE عن طريق الغسل بإيثانول 70٪ ثلاث مرات واترك الغسلة الثالثة تبقى لمدة 20 دقيقة. ثم اغسل سطح MRE ثلاث مرات باستخدام PBS معقم.
غطى سطح ال MRE ب 10 ميكروغرام لكل ملليلتر من الفيبرونكتين في PBS يحتوي على المغنيسيوم والكالسيوم لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة 37 درجة مئوية لتعزيز التصاق الخلايا بالجهاز. وأخيرا، اغسل سطح ال MRE ثلاث مرات باستخدام PBS يحتوي على المغنيسيوم والكالسيوم، وزرع خلايا عضلة القلب في الجرذان حديثي الولادة بكثافة 20,000 خلية لكل سنتيمتر مربع. يتم إثبات دقة نقل النمط الدقيق من القالب الرئيسي إلى ركيزة MRE في هذا الشكل من خلال ملفات الارتفاع الموحدة والقياسات الكمية لارتفاع وارتفاع الميزة.
أظهرت مقارنة الملف X أن ملف ارتفاع الميزة المعياري في MRE يتبع إلى حد كبير ملف القالب الرئيسي، وإن كان مع ارتفاع ذروة أقل قليلا وأشكال ميزات أوسع. كان متوسط ميل ركيزة MRE حوالي 10 ميكرومتر ولم يكن مختلفا بشكل ملحوظ عن زاوية القالب الرئيسي. كان متوسط ارتفاع الميزة على ركيزة MRE أقل بكثير من القالب الرئيسي، بقيم متوسطة قدرها 3.81 ميكرومتر و5.49 ميكرومتر على التوالي.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منصة اختبار جساءة مبتكرة تستخدم بوليمر سيليكوني مرن للغاية مدمج بـجزيئات الحديد. صُممت هذه المنصة لاستقصاء التغيرات الفيزيائية المعتمدة على الوقت في الأنماط الظاهرية للخلايا، مع التركيز بشكل خاص على محاذاة الخلايا العضلية القلبية استجابةً لزيادة جساءة المصفوفة.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلم
- طب القلب
- بيولوجيا الخلية
- الميكانيكا الحيوية
خلفية علمية
- تتمتع الخلايا العضلية القلبية بحساسية تجاه التغيرات الميكانيكية في بيئتها.
- يعد فهم تضخم القلب الناتج عن الصلابة أمراً بالغ الأهمية لصحة القلب.
- توفر المرونات ذات الخصائص المغناطيسية الريولوجية نهجاً فريداً لدراسة الخصائص الميكانيكية.
- سلطت الدراسات السابقة الضوء على دور شبكات الأنيبيبات الدقيقة في استجابة الخلايا العضلية القلبية.
الغرض من الدراسة
- لاستكشاف كيفية اصطفاف الخلايا العضلية القلبية للجنين في الجرذ استجابةً للتغيرات الديناميكية في الصلابة.
- لمحاكاة التقلبات الميكانيكية في الجسم الحي ضمن بيئة محكومة.
- لتعزيز فهم الذاكرة الميكانيكية في الخلايا القلبية.
الطرق المستخدمة
- تصنيع منصة اختبار الصلابة باستخدام PDMS وجسيمات الحديد.
- قياس محاذاة الخلايا العضلية القلبية عند زيادة صلابة المصفوفة.
- استخدام المغناطيسية لإحداث تغييرات في الصلابة.
- تحليل الاستجابات الخلوية لبيئات ميكانيكية متنوعة.
النتائج الرئيسية
- أظهرت الخلايا العضلية القلبية اصطفافاً يرتبط بصلابة المصفوفة.
- أثرت التغيرات الديناميكية في الصلابة على سلوك النمط الظاهري للخلايا.
- أثبتت منصة المقايسة فعاليتها في دراسة الخصائص الميكانيكية.
- تساهم هذه النتائج في فهم استجابات الخلايا القلبية للمنبهات الميكانيكية.
الاستنتاجات
- تُعد المنصة التي تم تطويرها أداة قيمة لدراسة ميكانيكا الخلايا العضلية القلبية.
- تشير النتائج إلى أهمية البيئة الميكانيكية في سلوك الخلايا القلبية.
- يمكن للدراسات المستقبلية الاستفادة من هذه المنصة لاستكشاف أنواع أخرى من الخلايا.
الأسئلة الأكثر شيوعاً
الأهمية التنفيذية للصناعة
يتيح التحكم الديناميكي في صلابة الركيزة وتضاريسها باستخدام المطاطات المغناطيسية الريولوجية (MREs) ذات الأنماط الدقيقة فحصاً دقيقاً للميكانيكا الحيوية للخلايا العضلية القلبية تحت ظروف متغيرة زمنياً وذات صلة فسيولوجياً. تعالج هذه المنصة فجوة حرجة في نمذجة البيئات الميكروية الميكانيكية المتقلبة التي تظهر في أمراض القلب، مما يدعم الثقة التنبؤية في مراحل الاكتشاف المبكرة والتحقق من الأهداف. ويسهل هذا النهج الاستمرارية الانتقالية من الرؤى الآلية إلى نمذجة الأنظمة ذات الصلة بالمرض، مما يوجه قرارات المحفظة الاستثمارية المعدلة حسب المخاطر.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال المستحضرات الصيدلانية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- يتيح الاختبار الدقيق لفرضيات نقل الإشارات الميكانيكية في الخلايا العضلية القلبية تحت ظروف تحميل ديناميكية.
- يدعم التحقق الوظيفي من الأهداف من خلال عزل تأثيرات الصلابة العكوسة والإشارات الطوبوغرافية.
- يسهل تقليل المخاطر الميكانيكية لنماذج أمراض القلب من خلال محاكاة التقلبات الميكانيكية الحيوية في الجسم الحي.
الفحص وتطوير المقايسة
- يوفر ركيزة معيارية وقابلة للتكرار للتقييم الكمي لمحاذاة الخلايا والتغيرات المظهرية.
- يقدم منصات جاهزة للمقايسة ذات خصائص ميكانيكية قابلة للضبط لتقييم المركبات في سياقات ذات صلة بالمرض.
- يتيح إمكانية التوسع وإعادة استخدام المنصة عبر حملات متعددة من مسوحات الميكانيكا الحيوية والمسوحات القلبية.
الأبحاث الترجمية وما قبل السريرية
- يوائم المحفزات الميكانيكية في المختبر مع الاعتلالات الوظيفية والتشريحية القلبية ذات الصلة سريرياً، مثل احتشاء عضلة القلب.
- يدعم الاستمرارية من الدراسات الآلية في مرحلة الاكتشاف إلى التحقق قبل السريري من الفرضيات العلاجية.
- يعزز القيمة التنبؤية لتطوير المؤشرات الحيوية الانتقالية في هندسة أنسجة القلب ونمذجة الأمراض.
تكامل سير العمل والمسارات التحليلية
تتكامل هذه الطريقة القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي المرن (MRE) ضمن التسلسل الممتد من مرحلة الاكتشاف إلى المرحلة قبل السريرية، وذلك من خلال تمكين دراسات الميكانيكا الحيوية القائمة على الفرضيات، وتطوير المقايسات، والنمذجة الانتقالية لأمراض القلب.
- بيولوجيا الاكتشاف: تسهل اختبار الفرضية الصفرية لتأثيرات الحمل الميكانيكي على محاذاة الخلايا العضلية القلبية ونمطها الظاهري.
- الفحص: توفر قراءات كمية وقابلة للتكرار لتوجيه الخلايا ودقة الركيزة من أجل توحيد المقايسات.
- التحليلات: تدعم القياس الكمي لخطوة الميزة، والارتفاع، والاستجابة الخلوية للتغيرات الديناميكية في الصلابة.
- الأبحاث الانتقالية: تربط النتائج الميكانيكية المختبرية بالنماذج قبل السريرية ذات الصلة بأمراض القلب.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: توفر منصة نموذجية قابلة للتكيف لدراسات البيولوجيا الميكانيكية عبر القلب وأنظمة الأعضاء الأخرى.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية وتقلل من الغموض الميكانيكي في التحقق من الأهداف القلبية.
- القيمة التشغيلية: توفر سير عمل موحد وقابل للتوسع والتكرار لأبحاث الميكانوبيولوجيا.
- القيمة الاستراتيجية: تمكّن من اتخاذ قرارات مدروسة بالاستمرار أو التوقف، والتقدم بكفاءة في استغلال رأس المال لبرامج الاكتشافات القلبية.
- تأثير المحفظة: تدعم تحديد الأولويات للأهداف والنماذج المعدلة حسب المخاطر في مسارات أبحاث القلب والميكانوبيولوجيا بشكل أوسع.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في البيولوجيا الميكانيكية، وتصنيع الركائز، والتحليل الكمي للخلايا.
- يتطلب الوصول إلى أدوات تحضير PDMS/MRE، ونظام التحكم في المجال المغناطيسي، وبنية تحتية للتصوير.
- يستلزم توحيد معايير نمط الركيزة وتوصيف الخصائص الميكانيكية بين الفرق المختلفة.
- قابل للتطبيق على أنواع أخرى من الخلايا وأنظمة الأعضاء من خلال تعديلات في البروتوكول وفقاً لما يدعمه نطاق الركيزة.
- تشمل القيود العملية دقة نقل الأنماط الدقيقة وأبعاد السمات التي يمكن تحقيقها.
