Rozwijające się odkrycia w świecie zachowań komórkowych uwydatniły rolę bodźców mechanicznych, takich jak napięcie, naprężenie ścinające płyn, kompresja i sztywność podłoża, w dyktowaniu dynamicznych aktywności komórkowych, takich jak adhezja, migracja i różnicowanie. Te mechanobiologiczne aspekty mają ogromne znaczenie w wyjaśnianiu, w jaki sposób komórki oddziałują i reagują na swoje środowisko fizjologiczne, wpływając na różne procesy biologiczne1,2.
W ciągu ostatniej dekady, testy aspiracji oparte na mikropipetach wyróżniały się jako wszechstronne narzędzie do badania różnych reakcji komórkowych na bodźce mechaniczne. Technika ta dostarcza cennych informacji na temat wewnętrznych właściwości mechanicznych żywych komórek na poziomie pojedynczej komórki, w tym modułu sprężystości komórek, sztywności i napięcia korowego. Testy te umożliwiają pomiar różnych parametrów mechanicznych, takich jak napięcie błony komórkowej, nacisk wywierany na błonę komórkową i napięcie kory mózgowej (podsumowane w tabeli 1). Badanie sił aspiracyjnych wzbogaciło naszą wiedzę na temat tego, w jaki sposób wpływają one na funkcje i procesy komórkowe, szczególnie w dziedzinie dynamiki błony, w tym fragmentacji, wydłużania i pączkowania3,4.
| Parametr mechaniczny | opis | Nowatorskie podejścia |
| Sztywność komórki | Pomiar sztywności mechanicznej i elastyczności ogniwa. | Aspiracja błony komórkowej i analiza reakcji na odkształcenia na podciśnienie20,21. |
| Siła przyczepności | Ocena, jak silnie komórki przylegają do powierzchni. | Zastosowanie kontrolowanego ssania w celu oderwania przylegających komórek od podłoża2,22. |
| Naprężenie membrany | Ocena napięcia lub stresu w błonach komórkowych. | Pomiar odkształcenia membrany w odpowiedzi na przyłożone ciśnienie23,24. |
| Właściwości lepkosprężyste | Charakterystyka połączonego lepkości i sprężystości komórki. | Analiza zależnej od czasu reakcji na odkształcenie na aspirację23,25. |
| Odkształcalność | Określenie, jak łatwo komórka może zmienić kształt. | Ocena zakresu odkształcenia pod wpływem kontrolowanego ssania20,24. |
| napięcie powierzchniowe | Pomiar napięcia na powierzchni ogniwa. | Ocena ciśnienia wymaganego do wytworzenia wystającego elementu membrany mikropipety26. |
| Interakcja komórka-materiał | Badanie interakcji między komórkami a materiałami lub substratami. | Aspiracja komórek mających kontakt z różnymi materiałami i obserwacja oddziaływań2,24. |
| Interakcja komórka-komórka | Badanie oddziaływań między sąsiednimi komórkami. | Aspiracja grupy komórek i analiza ich sił międzykomórkowych27. |
Tabela 1: Parametry mechaniczne scharakteryzowane przez test aspiracji mikropipet.
Technika aspiracji oparta na mikropipetach jest szeroko stosowana do badania czerwonych krwinek (RBC), oceny odkształcalności i różnych cech mechanicznych krwinek czerwonych, co jest niezbędne do zrozumienia ich funkcji w układzie krążenia. Erytrocyty czerwone wykazują niezwykłą zdolność adaptacji, zachowując swoją mechaniczną wszechstronność przed deformacją podczas poruszania się po skomplikowanej sieci naczyń włosowatych i szczelinach międzyśródbłonkowych5,6. Podczas tej podróży RBC muszą pokonywać przejścia o szerokości zaledwie 0,5-1,0 μm, poddając się wielu siłom mechanicznym, w tym rozciąganiu i ściskaniu7,8,9. Mają również wysoką wrażliwość na naprężenia ścinające generowane przez przepływ krwi podczas krążenia10. Procesy te sprzyjają aktywacji mechanizmów regulacyjnych związanych z napływem wapnia, kluczowym zdarzeniem sygnalizacyjnym o dobrze ugruntowanej roli w odpowiedziach komórkowych na bodźce mechaniczne11,12. Złożone mechanizmy rządzące mechanosensacją za pośrednictwem wapnia pozostają fascynującymi przedmiotami trwających badań.
W tym kontekście, fMPA jest skutecznym podejściem do ujawnienia zakresu mobilizacji wapnia pod precyzyjnie kontrolowanymi siłami mechanicznymi, pozwalając na jednoczesne zastosowanie modulacji mechanicznej (przy użyciu systemu aspiracji mikropipet) i wizualizację intensywności wapnia (za pomocą wskaźników fluorescencyjnych). W szczególności naśladuje fizjologiczny scenariusz, w którym RBC przemieszcza się przez zwężające się naczynia krwionośne. Warto podkreślić, że opracowany przez nas system fMPA może generować ciśnienie z rozdzielczością 1 mmHg. Zaimplementowana kamera szybkoobrotowa może osiągnąć rozdzielczość czasową 100 ms oraz rozdzielczość przestrzenną na poziomie submikrometrów. Konfiguracje te zapewniają precyzyjne przyłożenie sił mechanicznych do żywych komórek i jednocześnie przechwytują powstałą sygnalizację komórkową. Co więcej, ze względu na zintegrowany charakter tej konfiguracji, test aspiracji mikropipet można łatwo dostosować do innych urządzeń lub technik, umożliwiając dalsze badanie zawiłości mechaniki komórek. Ta wszechstronność jest dodatkowym atutem tego podejścia.