Tế bào động vật có vú trong cơ thể liên tục cảm nhận và phản ứng với các lực cơ học bắt nguồn từ các tế bào lân cận, môi trường của chúng và các đặc tính thay đổi của tế bào chúng. ma trận ngoại bào (ECM) (xem Thuật ngữ) [

,

]. Nhiều chức năng sinh lý như hô hấp, tiêu hóa, co cơ, nhịp tim và phát triển não bộ đòi hỏi các tế bào liên tục bị kéo căng và/hoặc nén lại. Yếu tố trung tâm trong các quá trình này là khả năng tế bào cảm nhận được các lực cơ học này ('cảm nhận cơ học') và chuyển tải thông tin cơ học dưới dạng phản ứng ('dẫn truyền cơ học') (Box 1). Ví dụ, các tế bào có thể chủ động thăm dò độ cứng của ECM mà chúng được neo vào bằng cách kéo căng nó, tức là bằng cách tác dụng lực kéo lên nó thông qua các phức hợp bám dính tế bào–ECM [

], mặc dù không phải tất cả các cơ chế thăm dò cho phép các tế bào cảm nhận được các đặc tính cơ học của ECM đều đã được làm sáng tỏ. Cảm giác cơ học và truyền tải thông tin tạo ra một tập hợp các phản ứng sinh hóa và cơ sinh học lập trình lại các quá trình thay đổi tế bào của tế bào, chẳng hạn như khả năng vận động và sự khác biệt của dòng dõi, do đó tác động nghiêm trọng đến sinh lý (bệnh lý) của con người [

,

,

] (Hình 1, Hình chìa khóa).

Các mô khác nhau và các tế bào cấu thành của chúng tiếp xúc với MS [

,

]. Những thay đổi về sinh lý MS có thể là nguyên nhân hoặc hậu quả của các bệnh lý (Box 2). Ví dụ, trong cơ tim, MS hướng dẫn sự phát triển và điều hòa các cơn co thắt định kỳ của tim, trong khi việc điều chỉnh sai phản ứng của tế bào cơ tim đối với sự căng ra có liên quan đến các bệnh tim khác nhau [

] (Box 2). Không có gì đáng ngạc nhiên, trong điều kiện phát triển, MS hướng dẫn quá trình biệt hóa tế bào gốc ống nghiệm, trong khi trong y học tái tạo, MS cải thiện sức mạnh và chức năng của các mô cơ tim được thiết kế [

]. Thật thú vị, các đại thực bào thường trú cũng có thể cảm nhận được MS nhờ vào sự tương tác của chúng với các tế bào cơ tim lân cận. Hình ảnh cho thấy rằng các đại thực bào được kích hoạt trên MS, do đó bảo vệ trái tim bị suy yếu thông qua việc thúc đẩy tái tạo tim [

]. Tương tự, trong ruột MS có thể lập trình lại các tế bào biểu mô ruột (IEC) làm thay đổi biểu hiện gen của chúng [

] và tạo tín hiệu no để điều chỉnh việc cho ăn [

] (Box 2). Hình ảnh của các IEC sau khi tiếp xúc với MS tiết lộ rằng cái sau cho phép nuôi cấy các IEC với vi khuẩn cộng sinh trong nhiều tuần, một điều khó khăn trong môi trường nuôi cấy tĩnh do sự phát triển quá mức của vi khuẩn gây ra cái chết của IEC [

,

]. Một cách nhất quán, những bệnh nhân mắc bệnh ruột kích thích, nơi MS bị suy yếu, đã trải qua sự phát triển quá mức của vi khuẩn [

]. Trong quá trình lây nhiễm, sự hiện diện của MS và tổ chức với các phần phụ bảo vệ biểu mô khỏi nhiễm trùng và tổn thương [

]. Tuy nhiên, những đóng góp chính xác của từng loài và cơ chế mà chúng sử dụng để điều chỉnh sự lây nhiễm không được đánh giá, có thể là do không tương thích với nội soi video. Việc tách tác động của các tín hiệu vật lý ngoại bào khỏi tác động của hệ vi sinh vật có thể cho phép xác định rõ ràng những đóng góp của chúng. (Thấy Box 3.)

Các tế bào biểu mô đường dẫn khí (AEC) cũng bị MS trong khi thở. căng ra sự căng thẳng, quá tải mức độ cao hơn khi có các bệnh lý như co thắt phế quản do hen suyễn [

], trong khi áp dụng tĩnh cấp tính (như trong chấn thương phổi) so với MS chu kỳ mạn tính có tác động khác biệt đến chức năng và số phận của AEC [

] (Box 2). Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của CSD cho phép điều chỉnh độc lập các tham số như cường độ kéo dài (biến dạng cảm ứng), tần số và hướng. Tương tự như AEC, các tế bào nội mô (EC) lót lòng trong của mạch máu kéo dài vuông góc với hướng MS và thay đổi sự kết dính của tế bào-ECM và tế bào-tế bào theo cách phụ thuộc vào cường độ và thời gian của biến dạng [

,

]. Tiếp xúc với cường độ cao (18%, như trong cơn co thắt phế quản của bệnh nhân hen suyễn) so với căng thẳng sinh lý (5%) làm tổn thương nội mô tính toàn vẹn của hàng rào là kết quả của việc kích hoạt kinase điều hòa tín hiệu ngoại bào (ERK) tín hiệu và những thay đổi về khả năng co bóp của tế bào cũng khác nhau khi MS được áp dụng tĩnh so với theo chu kỳ cho các tế bào [

] (Hình 1). Cường độ cao, so với chủng sinh lý, cũng có thể làm thay đổi cấu hình phiên mã của EC và glycocalyx của chúng (tế bào phủ màng lọc đường bảo vệ) và gây ra sự tái cấu trúc ECM, có thể góp phần hình thành mảng xơ vữa động mạch [

]. Điều tra các cơ chế điều khiển trong thời gian thực sẽ cho phép hiểu rõ hơn về cách các mạch máu bị tổn thương và quá trình xơ vữa động mạch phát triển như thế nào. MS cũng có thể ảnh hưởng đến động lực của các quá trình buôn bán mụn nước, bao gồm cả quá trình nội tiết và sự gia tăng sức căng của màng tế bào sau đó [

,

]. Điều thú vị là gần đây trong cơ thể nghiên cứu cho thấy rằng các con đường nội tiết được điều chỉnh bởi các kênh được kích hoạt kéo dài và có thể bị ức chế bởi MS [

]. Điều này có thể quan trọng để phát triển các phương pháp phân phối thuốc tốt hơn và để chống nhiễm trùng, vì nhiều tác nhân gây bệnh tấn công buôn bán qua trung gian mụn nước để lây nhiễm tế bào. Ngoài ra, việc tiếp xúc với MS lập trình lại bộ nhớ xây dựng EC, được duy trì ngay cả khi các ô được đặt trên ma trận không đàn hồi sau MS [

,

]. Phù hợp với khái niệm về bộ nhớ cơ học, điều kiện tiên quyết của EC với MS giúp tăng cường tính toàn vẹn hàng rào của chúng, một đặc tính được khai thác để tạo ra các mảnh ghép mạch máu có thể cấy ghép tốt [

]. Tuy nhiên, để hiểu rõ hơn về sinh lý mô và tế bào (bệnh lý), điều tối quan trọng là chụp ảnh các tế bào sống trong khi tiếp xúc với MS và không chỉ sau đó, như thường được thực hiện trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Tài liệu trình bày sau tập trung vào các CSD tương thích với kính hiển vi. Các CSD cho phép chụp ảnh tế bào sống trong quá trình kéo dài theo chu kỳ cũng được làm nổi bật.

Nền tảng kéo dài tế bào để nghiên cứu các phản ứng sinh học của các tổ hợp đa bào đối với MS đã được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Kể từ khi phát triển các CSD đầu tiên vào những năm 1970 [

], nhiều nền tảng kéo dài tế bào đã được phát triển dựa trên một loạt hành động các nguyên tắc, bao gồm cả những nguyên tắc có sẵn trên thị trường, đặc biệt là các lò phản ứng sinh học Flexcell (từ Flexcell International) và StrexCell (từ STREX Inc.) [

]. Những CSD đó đã được sử dụng để trả lời các câu hỏi sinh học ngày càng phức tạp, bao gồm cách MS ảnh hưởng đến nhiều chức năng của tế bào [

]. Tùy thuộc vào các câu hỏi sinh học được đặt ra, một số tham số cần được xem xét về thiết kế, khả năng và tự động hóa của CSD, bao gồm: (i) khả năng tương thích với các phương thức hình ảnh tế bào sống có độ phân giải cao; (ii) khả năng tương thích với các xét nghiệm cụ thể (ví dụ: xét nghiệm nhiễm trùng yêu cầu quyền truy cập cụ thể); (iii) khả năng tương thích với các phương pháp mô tả đặc tính cơ học (sinh học); (iv) khả năng mô phỏng sinh học (ví dụ: (các) hướng kéo căng được áp dụng); và (v) khả năng tích hợp đồng thời các tín hiệu vật lý khác (ví dụ: dòng chất lỏng cắt) (Box 3). Sau đó, chúng tôi đặc biệt tập trung vào khả năng tương thích của CSD với kính hiển vi, đặc biệt quan tâm đến hình ảnh tế bào sống. Về thiết kế thiết bị, khả năng tương thích với hình ảnh tế bào sống (chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng kính hiển vi huỳnh quang đảo ngược hoặc kính hiển vi đồng tiêu) yêu cầu một màng trong suốt, mỏng và kéo dài. Những màng như vậy được chế tạo bằng cách sử dụng vật liệu đàn hồi, đáng chú ý nhất là polydimethylsiloxane (PDMS) hoặc các loại silicon khác và được kích hoạt bằng cách sử dụng động cơ hành động or truyền động khí nén sử dụng chân không. Các phương thức truyền động khác (ví dụ, áp điện, điện từ) đã được chứng minh nhưng chúng không được sử dụng phổ biến [

,

].

Một nghiên cứu về các tế bào biểu mô trong lớp đơn lớp sử dụng CSD khí nén và nội soi video cho thấy tốc độ di chuyển của tế bào giảm khi MS nhưng cuối cùng trở lại mức cơ bản, cho thấy rằng các tế bào phát triển cơ chế cân bằng nội môi để trở lại trạng thái ổn định [

]. Điều này được quy cho việc vận chuyển protein động cơ myosin II từ tế bào chất đến vỏ tế bào, trong khi phục hồi được trung gian bởi sự gia tăng hành tây-sự co bóp của myosin, có thể là do myosin II được đưa trở lại tế bào chất. Mặc dù chưa được khám phá, nhưng những thay đổi trong lực tế bào-tế bào và tế bào-ECM, giữa chúng có mức độ nhiễu xuyên âm cao, có thể là nguyên nhân gây ra những thay đổi về tốc độ tế bào [

,

,

]. Đo lường các lực này có thể phát hiện ra những thay đổi phụ thuộc vào thời gian trong tính toàn vẹn của hàng rào khi biểu mô bị thách thức với MS. Thật vậy, các mối nối tế bào-tế bào được tái cấu trúc theo cách phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và có thể giảm bớt sự tích tụ ứng suất ở tốc độ biến dạng thấp để ngăn ngừa hỏng mối nối [

]. Tuy nhiên, khi cường độ và thời gian kéo căng cao, sự kéo căng của mô biểu mô gây ra sự hình thành vết nứt khi giải phóng sức căng, nguồn gốc của vết nứt này không phải do lực kéo mà là do thủy lực [

]. Đó là, các vết nứt biểu mô là kết quả của sự tích tụ áp lực trong ECM trong quá trình kéo dài, điều này ủng hộ giả thuyết rằng tính toàn vẹn của biểu mô phụ thuộc vào sự liên kết chặt chẽ giữa kéo dài mô và thủy lực ECM. Sử dụng một CSD được kích hoạt bằng khí nén tương tự, một nghiên cứu đột phá trước đó (cùng với các nghiên cứu tiếp theo sau đó) đã chỉ ra rằng khi MS được áp dụng tạm thời cho các tế bào ở các dòng hoặc tốc độ cao, các tế bào sẽ trải qua quá trình hóa lỏng, làm giảm độ cứng và phân hủy khung tế bào của chúng, nhưng sau đó giai đoạn họ có thể tái củng cố [

,

,

]. Đồng thời, lực kéo do các tế bào gây ra đối với ECM của chúng tăng lên khi MS tĩnh cấp tính nhưng giảm xuống dưới mức cơ bản khi giải phóng MS, ngụ ý rằng năng lượng tiềm năng được các tế bào sử dụng để tổ chức lại khung tế bào của chúng và phân phối lại sức căng [

]. Những thay đổi phụ thuộc vào cường độ và tốc độ biến dạng trong khả năng đáp ứng cơ học của các mô và tế bào cấu thành trên MS cũng đã được quan sát trong cơ thể [

]. Liệu những quá trình chuyển đổi phụ thuộc vào thời gian mà các tế bào trải qua trong MS có đủ để xây dựng bộ nhớ cơ học bền bỉ hay không vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực, một phần là do sự liên quan của nó trong kỹ thuật mô [

,

].

Hình ảnh kết hợp với CSD đã tăng tốc các lĩnh vực bổ sung như tế bào ung thư và sinh học phát triển. Không giống như các tế bào bình thường, các tế bào ung thư thường sinh sôi nảy nở và tồn tại tốt hơn trên ECM cứng hơn, điều này trùng hợp với việc mất khả năng cảm nhận độ cứng của ECM [

]. Hình ảnh sau MS được sử dụng để kiểm tra tác động của MS đối với sự sống sót của tế bào ung thư đã biến đổi từ các mô khác nhau ống nghiệm. Công trình này được thúc đẩy bởi các nghiên cứu trước đây trên chuột bị ung thư, những con chuột này đã bị MS hoặc tập thể dục và cho thấy sự ức chế sự phát triển khối u phụ thuộc vào lực cơ học [

,

]. Sử dụng CSD được kích hoạt bằng khí nén, người ta đã phát hiện ra rằng MS ức chế sự phát triển của tế bào ung thư và kích hoạt quá trình chết theo chương trình ('mechanoptosis'), trái ngược với những gì xảy ra trong các tế bào bình thường. Những phát hiện này có thể được khai thác thêm để phát triển các liệu pháp điều trị ung thư dựa trên MS. Trái ngược với nghiên cứu này, khi các tế bào biểu mô trong lớp đơn lớp được trộn lẫn với các tế bào biến đổi sinh ung thư trong điều kiện đứng yên, chúng có thể loại bỏ các tế bào biến đổi thông qua quá trình ép đùn. Tuy nhiên, khi được kéo dài trong CSD được kích hoạt bằng khí nén, các ô được biến đổi vẫn ở trong lớp đơn lớp do những thay đổi trong cấu trúc của chúng. độ bám dính tiêu cự động lực học và sự co bóp của actomyosin, thúc đẩy một kiểu hình ung thư xâm lấn [

]. Sự khác biệt giữa những phát hiện này có thể được giải thích bởi thực tế là trong trường hợp sau, sự cạnh tranh của tế bào diễn ra trong một lớp đơn lớp 'đông đúc' chứ không phải trong các tế bào phụ. Hình ảnh trong MS có thể giúp làm sáng tỏ những thay đổi phụ thuộc vào mật độ tế bào này xuất hiện như thế nào. Tuy nhiên, cả hai nghiên cứu đều nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét MS trong quá trình ống nghiệm thí nghiệm liên quan đến ung thư.

MS cũng góp phần vào sự phát triển của các mô và cơ chế của chúng để đối phó với những nhiễu loạn cơ học, như đã được chứng minh gần đây bằng cách kéo dài cánh của Drosophila trong khi thực hiện chụp ảnh đồng tiêu tế bào sống [

]. Khi mô kéo dài và ở quy mô thời gian ngắn, myosin II hình thành các dây cáp không đối xứng liên quan đến việc tu sửa actin. Các tác giả đề xuất rằng đây là một phản ứng nhanh để làm cứng mô nhằm cố gắng đệm các nhiễu loạn cơ học và giữ nguyên hình dạng. Những phát triển trong tương lai có thể cho phép kiểm tra mức độ thay đổi của cường độ và tần số MS có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của mô. Hơn nữa, trong bối cảnh phát triển [

] và trong quá trình lành vết thương [

], Kích hoạt ERK nhạy cảm với MS di chuyển theo sóng từ tế bào này sang tế bào khác nhanh hơn so với khuếch tán đơn thuần, đã nổi lên như một quá trình cơ hóa quan trọng điều phối sự vận động của tế bào và tổ chức mô. Các lực cơ học được kết hợp chặt chẽ với tín hiệu tế bào, do đó định hướng sự phân cực của tế bào và di chuyển tế bào tập thể [

,

]. Những nghiên cứu này dựa trên Truyền năng lượng cộng hưởng Forster (BĂN KHOĂN)cảm biến sinh học dựa trên được thiết kế để tuân theo kích hoạt ERK theo thời gian và không gian bằng cách sử dụng các phương thức kính hiển vi. Kết hợp các phép đo như vậy với các kỹ thuật cơ sinh học (ví dụ: TFM) đã chứng minh rõ ràng tầm quan trọng của việc thẩm vấn nhiễu xuyên âm giữa cơ học và tín hiệu sinh hóa để hiểu mô được hình thành như thế nào và cách chúng trở lại cân bằng nội môi khi bị xúc phạm (ví dụ: vết thương). Do ERK được kích hoạt bởi MS, nên các phát triển trong tương lai có thể cho phép xác định vai trò của MS tuần hoàn, vì nó xảy ra ở rất nhiều mô và tham gia điều chỉnh động lực của các sự kiện báo hiệu trên các tổ hợp đa bào, chẳng hạn như các sự kiện được thấy khi kích hoạt ERK trong các nền văn hóa cố định.

Điều gì đang cản trở các CSD hiện tại khỏi ứng dụng rộng rãi trong chụp ảnh tế bào sống trong quá trình kéo dài theo chu kỳ (xem Câu hỏi nổi bật)? Các hạn chế bao gồm sự dịch chuyển màng đàn hồi trong quá trình kéo dài, di chuyển các tế bào ra khỏi mặt phẳng tiêu điểm được chụp, do đó ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh; thiết bị không tương thích với kính hiển vi đảo ngược do nhu cầu về bề mặt hỗ trợ; và khoảng cách xa giữa màng lơ lửng và vật kính của kính hiển vi. Tùy thuộc vào các yêu cầu thử nghiệm, các giải pháp thay thế đã được đề xuất, chẳng hạn như điều chỉnh tiêu cự quang theo cách thủ công trong quá trình kéo dài (chỉ khả thi khi tốc độ kéo dài thấp, xung kéo dài và không cần chụp ảnh tua nhanh thời gian dài) và sử dụng độ phóng đại thấp mục tiêu. Ngoài những hạn chế này, hình ảnh tế bào sống trong MS đưa ra các yêu cầu kỹ thuật hơn nữa, đặc biệt là khi được thực hiện trong thời gian dài. Ví dụ, hiệu ứng lệch tiêu cự của kính hiển vi trở nên ấn tượng hơn khi được kết hợp với hệ thống kéo dài động. Trong những trường hợp như vậy, một bộ bù z-drift mạnh mẽ có thể cần thiết. Sự dịch chuyển của màng cũng có thể được bù đắp bằng các hệ thống lấy nét tự động mạnh mẽ của kính hiển vi, đặc biệt là khi việc lấy nét lại bằng tay là không khả thi hoặc không thực tế. Kính hiển vi đồng tiêu đĩa quay có thể là lựa chọn ưu tiên để chụp ảnh tế bào sống trên CSD vì chúng cung cấp độ phân giải thời gian được cải thiện và giảm nguy cơ tẩy trắng và nhiễm độc quang so với kính hiển vi đồng tiêu quét laser. So với kính hiển vi phát huỳnh quang truyền thống, chúng mang lại độ phân giải ngang và trục được nâng cao, giảm nguy cơ mất ánh sáng hội tụ hoặc quang sai trong trường hợp mẫu dày (như khi các tế bào được gieo trên màng co giãn PDMS), cũng như hiện tượng chảy máu. thông qua và làm mờ. Về vật liệu, ngoài việc xác định độ dày và mức độ trong suốt của màng, việc mô tả các thay đổi về tính chất của màng trong quá trình kéo giãn theo chu kỳ cũng rất cần thiết. Lý tưởng nhất là màng nên thể hiện ở mức thấp trễ, độ dẻo dai cao (khả năng chống vỡ) và khả năng chống mỏi (thời gian tồn tại kéo dài dưới tải trọng tuần hoàn). Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu co giãn hiện có không thể đáp ứng đồng thời cả ba yêu cầu, mặc dù vật liệu tổng hợp mới đầy hứa hẹn đã được báo cáo gần đây [

]. Cuối cùng, đối với hình ảnh tua nhanh thời gian và tùy thuộc vào độ phức tạp cũng như tần suất của các mẫu kéo dài, cần xem xét các yêu cầu tự động hóa.

Cho rằng các lực vật lý (phụ) của tế bào, chẳng hạn như lực kéo căng, đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các quá trình sinh học từ di chuyển tế bào đến hình thành mô, điều cực kỳ quan trọng là phát triển các nền tảng cho phép kiểm tra các hành vi ở cấp độ tế bào và mô để đáp ứng đến MS. Điều đó sẽ cho phép hiểu rõ hơn về cách các lực có thể hoạt động như một tín hiệu để bảo vệ tính toàn vẹn của mô và duy trì cân bằng nội môi của mô trong không gian và thời gian. Nó cũng sẽ giúp làm sáng tỏ cách thức các tế bào chuyển đổi các lực cơ học bên ngoài thành các tín hiệu sinh hóa bên trong, do đó gợi ra các phản ứng cụ thể của tế bào. Trong tương lai, kiến ​​thức như vậy có thể được sử dụng để định hướng hành vi của tế bào nhằm chống lại bệnh tật (ví dụ như ung thư) hoặc để phát triển các cấu trúc tốt hơn cho kỹ thuật mô.