機(jī)械力統(tǒng)治生物過程，從類似泵的心臟的收縮，到類似弦和拉力的肌肉，以及進(jìn)行微觀拔河的細(xì)胞。以前，生物學(xué)的這些機(jī)械方面在很大程度上被忽略了，尤其是由于缺乏允許復(fù)雜機(jī)械測量的技術(shù)。但是正在開發(fā)更好的工具，這些工具可以跟蹤細(xì)胞和組織中的機(jī)械活動。

由于這種可見性，新的藥物和治療方法開始出現(xiàn)。機(jī)械生物學(xué)是細(xì)胞和組織如何感知和響應(yīng)機(jī)械力的科學(xué)。

就像我們?nèi)祟悡碛心軌虬l(fā)揮力量的肌肉和骨骼一樣，我們每個細(xì)胞也都有一個骨架：細(xì)胞骨架。這種纖維網(wǎng)絡(luò)允許細(xì)胞施加和抵抗力，并使它們能夠移動。

看著T細(xì)胞

T細(xì)胞是我們免疫系統(tǒng)的一部分：它們可以像細(xì)胞刺??客一樣，殺死其他細(xì)胞，如感染病毒的細(xì)胞或癌細(xì)胞。

在微觀尺度(約為人類頭發(fā)的百分之一)時，我們可以觀察并跟蹤T細(xì)胞“狩獵”癌細(xì)胞，因?yàn)樗鼈冊诮M織中移動并推進(jìn)。這適用于稱為3-D牽引力顯微鏡(TFM)的方法。

在找到癌細(xì)胞后，T細(xì)胞牢牢抓住其目標(biāo)，并發(fā)出“死亡之吻”。

稱為雙移液器抽吸(DPA)和光學(xué)鑷子(見下面的視頻)的技術(shù)允許我們抓住單個細(xì)胞，并以受控方式將它們配對在一起。這使我們能夠理解和說明這種致命的“吻”背后的機(jī)制。

使用機(jī)械生物學(xué)技術(shù)來觀察T細(xì)胞如何發(fā)現(xiàn)和殺死癌細(xì)胞，可以更好地靶向抗癌免疫療法。

最近由美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)了使用患者自身T細(xì)胞靶向癌癥的第一種免疫療法。

感受力量

細(xì)胞使用力傳感器來檢測和區(qū)分它們經(jīng)歷的許多物理信號。

一類主要的力傳感器是“機(jī)械敏感離子通道”。這些是可以打開和關(guān)閉的電池表面上的孔或孔。

當(dāng)細(xì)胞感知到物理力或機(jī)械刺激(實(shí)質(zhì)上，像微觀刺激)時，這些毛孔可以打開?；瘜W(xué)物質(zhì)進(jìn)出，并在細(xì)胞壁上傳導(dǎo)微小的電流。這可以通過將小電極附著到電池表面來測量。

許多類型的細(xì)胞和組織具有這樣的傳感器，并且響應(yīng)機(jī)械負(fù)載的變化。這些包括支撐我們的觸覺，轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞和維持骨骼軟骨細(xì)胞的神經(jīng)元。

藥物EVENITY- 旨在預(yù)防骨質(zhì)疏松癥中的骨質(zhì)流失 - 通過這一途徑發(fā)揮作用。該藥物可阻斷硬化蛋白，這是一種基于骨形成細(xì)胞的機(jī)械傳感功能自然抑制骨形成的關(guān)鍵因子。

在前往國際空間站的小鼠中，這種治療已經(jīng)通過了人體臨床試驗(yàn)，目前正在等待FDA批準(zhǔn)用于美國骨質(zhì)疏松癥患者的治療。

器官在芯片上

片上器官技術(shù)旨在幫助藥物開發(fā)，疾病建模和個性化醫(yī)療。每個單獨(dú)的單元都由一種稱為聚合物的透明材料制成：它大約是USB棒的大小，由活細(xì)胞內(nèi)襯的空心通道組成。

這些芯片不同于其他實(shí)驗(yàn)室測試，例如細(xì)胞培養(yǎng)，因?yàn)樗鼈兛梢阅M細(xì)胞如何與活組織相互作用的生理學(xué)和機(jī)制(而不僅僅是觀察單個細(xì)胞中的反應(yīng))。

例如，片上器官可以在微觀層面重建人體器官的結(jié)構(gòu)，包括腸，腎，皮膚，骨髓和大腦區(qū)域。

使用肺組織的示例在下面的視頻中描述。該技術(shù)提供了一種查看組織疾病的方法，并且是用于藥物開發(fā)的動物測試的替代方案。

許多研究人員和生物技術(shù)公司希望片上器官等技術(shù)能夠加速新藥的開發(fā)，推動個性化醫(yī)療的發(fā)展。

使用現(xiàn)有技術(shù)，臨床研究可能需要數(shù)年才能完成，測試單一化合物可能需要花費(fèi)數(shù)百萬美元。此外，臨床前動物研究通常無法預(yù)測人類反應(yīng)，因?yàn)閯游锬Ｐ筒⒉豢偰軠?zhǔn)確模擬人類的生物反應(yīng)。

2017年4月，美國食品和藥物管理局宣布了一項(xiàng)多年研究和開發(fā)協(xié)議，從肝臟芯片開始評估片上器官技術(shù)。

該協(xié)議可能在未來擴(kuò)大，以涵蓋其他器官芯片，包括腎，肺和腸模型。

機(jī)械生物學(xué)將物理科學(xué)融入生物學(xué)并推動新技術(shù)的發(fā)展。觀察運(yùn)動中的細(xì)胞，了解和測量細(xì)胞尺度的力量，以及在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建人體組織的迷你模型僅僅是個開始。