Открытия в мире клеточного поведения подчеркнули роль механических стимулов, таких как растяжение, напряжение сдвига жидкости, сжатие и жесткость субстрата, в определении динамических клеточных активностей, таких как адгезия, миграция и дифференциация. Эти механобиологические аспекты имеют первостепенное значение для выяснения того, как клетки взаимодействуют с физиологической средой и реагируют на нее, влияя на различные биологические процессы 1,2.
За последнее десятилетие аспирационные анализы на основе микропипеток стали универсальным инструментом в изучении различных клеточных реакций на механические раздражители. Этот метод дает ценную информацию о внутренних механических свойствах живых клеток на уровне одной клетки, включая модуль упругости клеток, жесткость и напряжение коры головного мозга. Эти анализы позволяют измерять различные механические параметры, такие как натяжение клеточной мембраны, давление, оказываемое на клеточную мембрану, и кортикальное напряжение (обобщенное в таблице 1). Изучение аспиративных сил обогатило наше понимание того, как они влияют на клеточные функции и процессы, особенно в области мембранной динамики, включая фрагментацию, удлинение и почкование 3,4.
| Механический параметр | Описание | Основополагающие подходы |
| Жесткость ячеек | Измерение механической жесткости и эластичности ячейки. | Аспирация клеточной мембраны и анализ деформационной реакции на отрицательное давление20,21. |
| Адгезионная прочность | Оценка того, насколько сильно клетки прилипают к поверхностям. | Применение контролируемого отсоса для отделения прилипших клеток от субстрата2,22. |
| Натяжение мембраны | Оценка напряжения или стресса в клеточных мембранах. | Измерение деформации мембраны в ответ на приложенное давление23,24. |
| Вязкоупругие свойства | Характеристика комбинированного вязкого и упругого поведения клетки. | Анализ нестационарной деформационной реакции на аспирацию23,25. |
| Деформативность | Определение того, насколько легко клетка может менять форму. | Оценка степени деформации при контролируемом всасывании20,24. |
| Поверхностное натяжение | Измерение натяжения на поверхности ячейки. | Оценка давления, необходимого для формирования выпячивания мембраны микропипетки26. |
| Взаимодействие клетки с материалом | Изучение взаимодействий между клетками и материалами или субстратами. | Аспирация клеток, контактирующих с различными материалами, и наблюдение за взаимодействиями2,24. |
| Межклеточное взаимодействие | Изучение взаимодействий между соседними клетками. | Аспирация группы клеток и анализ их межклеточных сил27. |
Таблица 1: Механические параметры, характеризуемые микропипеточным аспирационным анализом.
Метод аспирации на основе микропипеток широко используется для изучения эритроцитов (эритроцитов), оценки деформируемости и различных механических характеристик эритроцитов, что имеет важное значение для понимания их функции в системе кровообращения. Эритроциты демонстрируют замечательную приспособляемость, сохраняя свою механическую универсальность против деформации при навигации через сложную капиллярную сеть и межэндотелиальные щели 5,6. Во время этого путешествия эритроциты должны проходить через проходы шириной 0,5-1,0 мкм, подвергаясь воздействию множества механических сил, включая растяжение и сжатие 7,8,9. Они также обладают высокой чувствительностью к напряжению сдвига, создаваемому кровотоком во времяциркуляции 10. Эти процессы способствуют активации регуляторных механизмов, включающих приток кальция, важнейшее сигнальное событие, играющее хорошо известную роль в клеточных реакциях на механические раздражители11,12. Сложные механизмы, управляющие кальций-опосредованным механозондированием, остаются неотразимыми предметами продолжающихся исследований.
В этом контексте фМПА является эффективным подходом к выявлению степени мобилизации кальция при точно контролируемых механических силах, позволяющим одновременно применять механическую модуляцию (с помощью системы аспирации микропипеток) и визуализацию интенсивности кальция (с помощью флуоресцентных индикаторов). В частности, он имитирует физиологический сценарий, когда эритроциты проходят через сужающиеся кровеносные сосуды. Стоит отметить, что разработанная нами система fMPA может генерировать давление с разрешением 1 мм рт. Реализованная высокоскоростная камера позволяет достигать временного разрешения 100 мс и пространственного разрешения на уровне субмикронного метра. Эти конфигурации обеспечивают точное приложение механических сил к живым клеткам и одновременно улавливают результирующую клеточную сигнализацию. Кроме того, благодаря интегративному инженерному характеру этой установки, аспирационный анализ с помощью микропипеток может быть легко адаптирован к другому оборудованию или методам, что позволяет глубже исследовать тонкости клеточной механики. Эта универсальность является дополнительным преимуществом такого подхода.