Cell biomechanics
सेल बायोमैकेनिक्स बायोमैकेनिक्स की एक शाखा है जिसमें एकल अणु, आणविक अंतःक्रिया या कोशिकाएं रुचि की प्रणाली के रूप में शामिल होती हैं। कोशिकाएँ अपने शरीर विज्ञान के एक भाग के रूप में अपने पर्यावरण के भीतर यांत्रिक बलों को उत्पन्न और बनाए रखती हैं। सेल बायोमैकेनिक्स इस बात से संबंधित है कि उक्त वातावरण से एम. आर. एन. ए., प्रोटीन उत्पादन और जीन अभिव्यक्ति कैसे प्रभावित होती है और अलग-अलग अणुओं के यांत्रिक गुणों या आणविक मोटर बनाने वाले प्रोटीन की परस्पर क्रिया से संबंधित है। यह ज्ञात है कि कोशिकाओं के यांत्रिक गुणों में मामूली परिवर्तन एक संक्रमित कोशिका का संकेतक हो सकता है। इन यांत्रिक गुणों का अध्ययन करने से रोग के संबंध में अधिक अंतर्दृष्टि प्राप्त होगी। इस प्रकार, कोशिका जैव-यांत्रिकी को समझने का लक्ष्य रोग में यांत्रिकी की भूमिका पर नई अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए कोशिका यांत्रिक व्यवहारों का यथार्थवादी विवरण बनाने के लिए सैद्धांतिक, प्रयोगात्मक और कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोणों को जोड़ना है। सत्रहवीं शताब्दी के उत्तरार्ध में, अंग्रेजी बहुश्रुत रॉबर्ट हुक और डच वैज्ञानिक एंटोनी वैन लीउवेनहॉक ने एक साधारण ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके अत्यधिक तरल पदार्थ और सेलुलर गति के साथ सिलियेट वोर्टिकेला में देखा। 1702 में क्रिसमस के दिन, वैन लीउवेनहॉक ने अपनी टिप्पणियों का वर्णन किया, "संरचना में इन छोटे जानवरों को एक घंटी की तरह बनाया गया था, और गोल उद्घाटन पर उन्होंने इस तरह की हलचल मचाई, कि वहाँ के पानी में कण गति में सेट हो गए थे। इससे पहले, जीवित कोशिकाओं के भीतर कणों और ऑर्गेनेल की ब्राउनियन गति की खोज की गई थी और साथ ही चिपचिपाहट को मापने के लिए सिद्धांत भी खोजे गए थे। हालाँकि, उस समय इन सटीक प्रयोगों को करने के लिए पर्याप्त सुलभ तकनीकी उपकरण नहीं थे। इस प्रकार, कोशिकाओं के भीतर यांत्रिक गुणों को केवल अवलोकन द्वारा गुणात्मक रूप से समर्थित किया गया था। इन नई खोजों के साथ, जीव विज्ञान के भीतर यांत्रिक बलों की भूमिका को हमेशा स्वाभाविक रूप से स्वीकार नहीं किया गया था। 1850 में, अंग्रेजी चिकित्सक विलियम बेंजामिन कारपेंटर ने लिखा कि "जीवित शरीर में होने वाली कई क्रियाएं यांत्रिकी के नियमों के अनुरूप हैं, जल्दबाजी में इस निष्कर्ष को उचित ठहराते हुए माना गया है कि इसके सभी कार्य यांत्रिक हैं।" इसी तरह, 1917 में, स्कॉटिश गणितीय जीवविज्ञानी डी 'आर्सी वेंटवर्थ थॉम्पसन ने अपनी पुस्तक ऑन ग्रोथ एंड फॉर्म में उल्लेख किया, "हालांकि वे ज्ञात भौतिक घटनाओं से मिलते-जुलते हैं, फिर भी उनकी प्रकृति अभी भी बहुत संदेह और चर्चा का विषय है, और न तो उत्पादित रूपों और न ही काम करने वाली शक्तियों को अभी तक संतोषजनक और सरलता से समझाया जा सकता है। उन्नीसवीं शताब्दी के औद्योगीकरण युग में, कोशिका और ऊतक यांत्रिकी की समग्र समझ अंततः विकसित हुई क्योंकि यह इंजन, नौकाओं और पुलों के यांत्रिक, संरचनात्मक परीक्षण और सिद्धांत (इंडेंटेशन, बीम बेंडिंग, हर्ट्ज मॉडल) से संबंधित थी। उन्नीसवीं शताब्दी के अंत में, बड़े पैमाने पर इंजीनियरिंग यांत्रिकी द्वारा प्रदान की गई तकनीकों का उपयोग करके जीवित कोशिकाओं के यांत्रिक गुणों का प्रयोगात्मक रूप से विश्लेषण और जांच की जा सकी। 2008 से, नैनोस्केल परीक्षण और मॉडलिंग मौलिक रूप से इन उन्नीसवीं शताब्दी की प्रथाओं पर आधारित है। अनुसंधान विधियाँ जैविक ऊतकों (रक्त वाहिकाओं, हृदय, हृदय की मांसपेशियों, फेफड़ों) की संरचना, यांत्रिक प्रतिक्रियाओं और कार्य के बीच संबंध स्थापित करने के लिए विभिन्न अध्ययन किए गए हैं। इस शोध का संचालन करने के लिए, कई विकसित उपकरण और तकनीकें हैं जो ऐसी छोटी ताकतों का पता लगाने के लिए संवेदनशील हैं। इस समय, ये तकनीकें केवल एक नियंत्रित वातावरण (टेस्ट ट्यूब, पेट्री डिश) में लागू होती हैं। ये सभी विधियाँ अंततः कोशिकाओं के यांत्रिक गुणों पर अंतर्दृष्टि देती हैं। इन तकनीकों को आम तौर पर दो वर्गों में विभाजित किया जा सकता हैः सक्रिय तरीके और निष्क्रिय तरीके। सक्रिय विधियाँ वे विधियाँ हैं जो कोशिका को विकृत करने के लिए किसी तरह से कोशिकाओं पर बल लगाती हैं। निष्क्रिय विधियाँ वे विधियाँ हैं जो यांत्रिक बलों को महसूस करती हैं और कोशिका पर कोई बाहरी बल लागू नहीं करती हैं। सक्रिय विधियाँ परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी एक लचीली कैंटिलीवर से जुड़ी नोक और कोशिका की सतह पर अणु के बीच एक अंतःक्रिया है। नुकीले सिरे का उपयोग एकल आणविक घटनाओं की जांच करने और जीवित कोशिकाओं की छवि बनाने के लिए किया जा सकता है। कोशिका और नोक के सापेक्ष विरूपण का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है कि कितना बल लगाया गया था और कोशिका कितनी कठोर है। चूँकि यह एक उच्च बल मापन तकनीक है, इसलिए बड़े पैमाने पर विकृतियों और पुनर्गठनों को देखा और मानचित्रित किया जा सकता है। इस तकनीक की कुछ कमियों में शामिल हैं लेकिन कोई लागू बल, संभावित कोशिका क्षति, बल-विरूपण वक्र की प्रकृति को निर्धारित करने वाले विभिन्न प्रकार के टिप आकारों को देखते हुए बल-बनाम-संकेत वक्र के अधिक आकलन तक सीमित नहीं हैं। मैग्नेटिक चिमटी और मैग्नेटिक ट्विस्टिंग साइटोमेट्री मैग्नेटिक ट्विस्टिंग साइटोमेट्री का उपयोग मुख्य रूप से जैविक ऊतकों के भौतिक गुणों को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। इनका उपयोग माइक्रोमैनिपुलेटिंग कोशिकाओं के लिए भी किया जा सकता है। मोती चुम्बकीय कुंडलियों के संपर्क में आते हैं जो एक चुंबकीय द्विध्रुव क्षण की ओर ले जाते हैं। एक कमजोर दिशात्मक चुंबकीय क्षेत्र को फिर मोतियों को एक विशिष्ट कोण से मोड़ने या मोतियों की रैखिकता को स्थानांतरित करने के लिए लागू किया जाता है। इस प्रणाली के कुछ नुकसानों में कोशिका के उस क्षेत्र को नियंत्रित करने में कठिनाई शामिल है जो मोती है, कोशिका की सतह पर पूर्ण बंधन की कोई गारंटी नहीं है, और समय के साथ चुंबकत्व का नुकसान। इस तकनीक की एक भिन्नता को ऑप्टिकल चिमटी कहा जाता है जहां चुंबकीय के बजाय कोशिकाओं पर रैखिक बल लागू किए जाते हैं। प्रकाशिक बल उत्पन्न करने के लिए उच्च अपवर्तक सूचकांकों के परावैद्युत मोतियों के साथ एक लेजर किरण का उपयोग किया जाता है। इस विधि की कमियों में संभावित फोटो-प्रेरित क्षति और सीमित मात्रा में बल शामिल है जिसे उत्पन्न किया जा सकता है। माइक्रोपिपेट आकांक्षा का उपयोग मुख्य रूप से यांत्रिक गुणों के पूर्ण मूल्यों को मापने के लिए किया जाता है। कोशिकीय पैमाने पर, यह एक ऊतक के भीतर इंटरफेस के अंतरिक्ष और समय सतह तनाव का मानचित्र बना सकता है। ऊतक पैमाने पर, यह विस्कोइलास्टिसिटी और ऊतक सतह तनाव जैसे यांत्रिक गुणों को माप सकता है। ए. एफ. एम. की तरह, यह भी एक उच्च बल मापन तकनीक है, जहाँ बड़े पैमाने पर विकृतियों और पुनर्गठनों को देखा और मानचित्रित किया जा सकता है। एक माइक्रोपीपेट को कोशिका की सतह पर रखा जाता है और इसे विकृत करने के लिए कोशिका को धीरे-धीरे चूसता है। प्रयुक्त दबाव के साथ विरूपण की ज्यामिति शोधकर्ताओं को कोशिका के यांत्रिक गुणों के साथ लागू बल की गणना करने की अनुमति देती है। एक दोहरी माइक्रोपीपेट परख कैडेरिन-निर्भर कोशिका-कोशिका आसंजन की ताकत को निर्धारित करने में भी सक्षम है। कोशिकाओं और ऊतकों पर तन्यता तनाव के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए खिंचाव उपकरण विकसित किए गए थे। कोशिकाओं को परिवर्तनीय सतहों के साथ लचीली सिलिकॉन शीट लोचदार झिल्ली पर ऊष्मायन किया जाता है। फिर उन्हें या तो एक अक्षीय, द्वि अक्षीय या दबाव-नियंत्रित तरीके से फैलाया जाता है। स्ट्रेचिंग अलग-अलग आवृत्तियों पर भी हो सकती है। स्ट्रेचिंग उपकरणों का मुख्य नकारात्मक पक्ष यह है कि वे झुर्रियों के पैटर्न को पीछे छोड़ देते हैं, जो शीट पर लगाए गए वास्तविक बलों को विकृत करते हैं। वे आकार में भी बड़े होते हैं और गर्मी और आघात दोनों उत्पन्न करते हैं, जिससे कोशिकाओं की वास्तविक समय की इमेजिंग में बाधा आती है। कार्बन फाइबर-आधारित प्रणालियाँ कार्बन फाइबर कांच की केशिकाओं में लगे होते हैं और प्रतिक्रिया नियंत्रण तंत्र के साथ स्थिति-नियंत्रण उपकरण से जुड़े होते हैं। रेशे तब कोशिकाओं से जुड़ते हैं और कोशिका से उत्पन्न सक्रिय बलों को लागू करते हैं और रिकॉर्ड करते हैं। हालाँकि, इसके परिणामस्वरूप कोशिकाओं को नुकसान हो सकता है क्योंकि उनमें तंतुओं से लगाव, ध्यान केंद्रित करने की समस्याएँ और संभावित पूर्वाग्रह होते हैं। निष्क्रिय विधियाँ लोचदार सब्सट्रेटम विधि यह विधि छोटे-तनाव, समतल-तनाव लोच के शास्त्रीय सिद्धांत से उपजी है। लोचदार सब्सट्रेटम विधि कर्षण क्षेत्र पर लोचदार सब्सट्रेट के विस्थापन क्षेत्र के विश्लेषण की अनुमति देती है। कोशिकाओं को एक लचीले सिलिकॉन शीट सब्सट्रेट पर इनक्यूबेट किया जाता है। कोशिकाएँ तब शीट्स पर बल लगाती हैं जिससे एक झुर्रीदार पैटर्न पैदा होता है और झुर्रियों और पैटर्न की संख्या के माध्यम से विश्लेषण किया जाता है। इस विधि का नकारात्मक पक्ष पैटर्न को एक कर्षण बल मानचित्र में बदलने में कठिनाई है जिससे बलों की पहचान करने में संभावित अशुद्धि हो सकती है। एम्बेडेड बीड्स लेटेक्स या फ्लोरोसेंटली टैग किए गए बीड्स के साथ लचीली चादरें लोचदार सब्सट्रेटम में एम्बेडेड होती हैं जहां समय के साथ मोतियों की स्थिति दर्ज की जाती है। सेलुलर बलों को इन विस्थापनों द्वारा ग्रहण किया जा सकता है। इस विधि के साथ अनिश्चितता मनका विस्थापन की परस्पर निर्भरता है। माइक्रोपैटर्न्ड डॉट्स या ग्रिड के साथ फ्लेक्सिबल शीट्स नामक एक अधिक बेहतर तकनीक इस कमी को मानती है और इसके बजाय डॉट्स को फ्लेक्सिबल शीट पर अंकित किया जाता है। फिर मूल ग्रिड से ग्रिड के विरूपण का विश्लेषण किया जाता है। हालाँकि, वही धारणाएँ बनाई जानी आवश्यक हैं जहाँ बल मापे गए स्थान से उत्पन्न होते हैं और दूसरे क्षेत्र से नहीं फैलते हैं। माइक्रो मशीनी कैंटिलीवर बीम एक संलग्नक पैड और एक कुएं के साथ एक क्षैतिज कैंटिलीवर बीम का उपयोग कोशिका कर्षण बलों को मापने के लिए किया जाता है क्योंकि कोशिकाओं को सब्सट्रेट पर बोया जाता है और कैंटिलीवर के ऊपर रेंगा जाता है। ये कैंटिलीवर कैंटिलीवर विक्षेपण, कठोरता और तनाव प्रवणता के माध्यम से बल को मापने के लिए सेट किए गए हैं। पूर्व पद्धति के विपरीत, कोई प्रसार की अनिश्चितता कोई मुद्दा नहीं है। बल्कि कैंटिलीवर किरण केवल एक दिशा में आगे बढ़ सकती है जिससे केवल एक अक्ष को मापा जा सकता है। ऊर्ध्वाधर सूक्ष्म कैन्टिलीवर की सरणी एक ऐसी तकनीक है जो विशिष्ट सूक्ष्म मशीन वाले कैन्टिलीवर बीम की सीमाओं को पार करती है जहां एक क्षैतिज बीम के बजाय दिशाओं के दो अक्ष उपलब्ध होते हैं। हालांकि पैमाने और संकल्प में सुधार हुआ है, लेकिन यह तेजी से बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है और काफी महंगा है। नाजुक गुणों के साथ, मामूली क्षति के लिए उपकरण के पुनरुत्पादन की आवश्यकता होगी। अनुप्रयोग और उपयोग पिछली आधी शताब्दी में, सेल बायोमैकेनिक्स का उपयोग करके कई अध्ययन किए गए हैं जिससे अधिक जैविक नियंत्रण होता है। इन नए बनाए गए उपकरणों में से अधिकांश या तो बीमारी के प्रति मानव शरीर की प्रतिक्रिया में अधिक अंतर्दृष्टि प्रदान करने या पूरी तरह से बीमारी को खत्म करने का प्रयास करने के लिए बनाए गए हैं। कार्डियोवैस्कुलर सेल मैकेनिक्स और माइक्रो सर्कुलेशन स्तनधारी लाल रक्त कोशिका में कोशिका गति और विरूपण की भविष्यवाणी करने के लिए मात्रात्मक निष्क्रिय बायोमैकेनिकल मॉडल विकसित किए गए हैं, एक झिल्ली के साथ एक कोशिका जिसमें झुकने और कतरने के गुण होते हैं जो तनाव, तनाव दर और तनाव के इतिहास पर निर्भर होते हैं, और एक साइटोप्लाज्म जो सामान्य लाल कोशिका में मुख्य रूप से एक न्यूटोनियन चिपचिपा तरल पदार्थ होता है, एक जीवित जीव के भीतर। इसके लिए नए विकसित (2007) मॉडल बताते हैं कि बायोमैकेनिकल विश्लेषण न केवल पूरी कोशिका और कोशिका निलंबन व्यवहार की भविष्यवाणी के लिए एक प्रारंभिक बिंदु है, बल्कि कोशिका झिल्ली के आणविक मॉडल के लिए एक संदर्भ बिंदु भी प्रदान करता है जो इसके भागों की क्रिस्टल संरचना से उत्पन्न होते हैं। प्रतिरक्षा निगरानी और सूजन के आधार पर श्वेत रक्त कोशिकाओं के लिए कई पीढ़ियों के जैव-यांत्रिक मॉडल भी विकसित किए गए हैं। ये मॉडल सूक्ष्म परिसंचरण में कोशिका-कोशिका अंतःक्रियाओं की प्रभावी ढंग से भविष्यवाणी करने के लिए सिद्ध हुए हैं। एंडोथेलियम, प्लेटलेट्स और मेटास्टैटिक ट्यूमर कोशिकाओं के लिए इसी तरह के अतिरिक्त मॉडल बनाए गए हैं। परिसंचरण में विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं के जैव-यांत्रिक विश्लेषण से परिसंचरण में कोशिकाओं के बीच परस्पर क्रिया की अधिक समझ आई है, जिससे संकीर्ण वाहिकाओं में कोशिकाओं के व्यवहार की भविष्यवाणी करना संभव हो गया है। नतीजतन, सूजन और हृदय रोग जैसी कई रक्त रोगों में अब जैव-यांत्रिक आधार है। फेफड़े, हृदय, कंकाल की मांसपेशियों और संयोजी ऊतक जैसे अंगों में भी मॉडल विकसित हो रहे हैं जो अंग परफ्यूजन के बुनियादी पहलुओं की भविष्यवाणी करने में सक्षम हैं। कोशिका संवर्धन और पृथक्करण कोशिका बायोमैकेनिक्स से लक्षित कोशिकाओं को अलग करने के लिए प्रौद्योगिकी बनाई गई है। रोग निदान और पता लगाने के मामले में, कहा गया है कि तकनीक कोशिका की कठोरता में अंतर के माध्यम से स्वस्थ कोशिकाओं को कैंसर से अलग करने में सक्षम है। विकृति-आधारित संवर्धन उपकरण इस तकनीक का एक उदाहरण है। ये उपकरण ज्यादातर रक्त से कैंसर कोशिकाओं से निपटते हैं। उनकी मुख्य विशेषता यह पहचानने की उनकी क्षमता है कि क्या कैंसर कोशिकाएं ट्यूमर से खुद को अलग कर चुकी हैं और सीटीसी (सर्कुलेटिंग ट्यूमर सेल्स) के रूप में रक्तप्रवाह में प्रवेश कर चुकी हैं। यदि उनके पास है, तो ये उपकरण हाल ही में रक्त के एक मिलीमीटर में सीटीसी की संख्या को गिनने में भी सक्षम हो गए हैं। इस मूल्य का उपयोग करते हुए, चिकित्सा पेशेवर कीमोथेरेपी उपचार की प्रभावशीलता निर्धारित करने में सक्षम हैं। अधिक विशिष्ट उदाहरणों में व्हाइटिंग स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के क्लेयर बूथे ल्यूस सहायक प्रोफेसर सोजुंग क्लेयर हुर का माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण और वुड्रफ स्कूल ऑफ मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर गोंगाओ वांग का माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण शामिल हैं जो दोनों स्तन कैंसर कोशिकाओं से निपटते हैं। हुर का उपकरण विकृति-प्रेरित और जड़त्वीय उत्थान बलों को संतुलित करके मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं में सुधार करता है जो रक्त कोशिकाओं की तुलना में बड़ी मेटास्टैटिक कैंसर कोशिकाओं को माइक्रो चैनल की केंद्र रेखा की ओर बढ़ने के लिए धक्का देता है। वांग का उपकरण विकर्ण कटकों के माध्यम से कठोर कम आक्रामक स्तन कैंसर कोशिकाओं को अलग करता है जहां केवल अधिक विकृत और अत्यधिक आक्रामक स्तन कैंसर कोशिकाएं निचोड़ सकती हैं। हालांकि, विकृति-आधारित संवर्धन उपकरण केवल कैंसर कोशिकाओं के लिए ही नहीं हैं। इसका एक उदाहरण नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता हान वेई हाउ का माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण है जो लाल रक्त कोशिकाओं को सामान्य कोशिकाओं से उनकी कठोरता के आधार पर अलग करता है और सुधार करता है। संक्रमित लाल रक्त कोशिकाएं आम तौर पर कठोर होती हैं, इसलिए उनके उपकरण के माध्यम से, कठोर लाल रक्त कोशिकाएं वाहिका की दीवार के करीब होती हैं जब सामान्य लाल रक्त कोशिकाएं केंद्र में रहती हैं। यह विकृत लाल रक्त कोशिकाओं को किनारों पर एक अलग निकास के माध्यम से एकत्र करने की अनुमति देता है। 1800 के दशक में, कोशिकाओं को शुरू में सजातीय जैल, सोल, विस्कोलास्टिक और प्लास्टिक तरल पदार्थ माना जाता था। वर्तमान में मॉडल को विस्कोइलास्टिक निरंतरता, असतत यांत्रिक तत्वों के संयोजन, या घने जालीदार कार्य के भीतर विस्कोइलास्टिक तरल पदार्थ के संयोजन को शामिल करने के लिए विकसित किया गया है और प्रयोग के बाद अत्यधिक सटीक साबित हुए हैं। इन बेहतर और अधिक परिष्कृत मॉडलों के बावजूद, अभी भी कई प्रयोगात्मक प्रमाणों (सॉफ्ट ग्लास रियोलॉजी रियोलॉजी घटना) के रूप में खामियां बनी हुई हैं जो वर्तमान मौजूदा मॉडलों का खंडन करती हैं। इस प्रकार, कोशिका यांत्रिकी का समय-निर्भर और भविष्यसूचक सैद्धांतिक विवरण अधूरा है। यह भी पूरी तरह से समझ में नहीं आता है कि क्या यांत्रिक घटनाएं जैविक प्रक्रियाओं के दुष्प्रभाव हैं या कोशिका शरीर विज्ञान या तंत्रिका शरीर विज्ञान के हमारे मौजूदा ज्ञान को देखते हुए प्रतिक्रिया लूप, सक्रियण और प्रतिक्रिया मार्गों के माध्यम से आनुवंशिक और शारीरिक स्तर पर नियंत्रित की जाती हैं। संदर्भ बायोमैकेनिक्स