已知传感器刚度估算组织力,与施加已知外力测组织刚度的不同参照概念图。
已知传感器刚度测力、施加已知外力测组织刚度的原创概念图。(J&E Bio 原创)(J&E Bio)

药物反应需要按时间和空间观察

加拿大麦吉尔大学(McGill University)作者在 2022 年综述器官芯片机械传感。细胞会随基底刚度、拉伸或流动改变状态,也会通过收缩和基质重塑改变自身环境;这些机械变化可提供药物或损伤反应的功能信息。

作者强调三种测量价值:持续观察同一样本、在一个系统中结合多类指标,以及确定变化发生在哪里。跨上皮或内皮电阻可反映屏障,电化学检测可观察分泌物;机械传感则补充力和刚度。

测力与测刚度需要不同已知条件

综述以弹簧关系简化说明测量原理:已知传感结构的刚度时,可根据它被组织拉动的位移估算力;测组织刚度时,则要施加已知外力并观察形变。

这套线性弹性近似便于理解,但真实组织也有黏弹性等随时间变化的性质。使用哪种材料关系、在多长时间内测量,都会影响结果;整体组织、单细胞及局部测量还可能呈现不同机械表现。

不同传感结构测量整体与局部的力

牵引力显微术根据基底标记的位移估算细胞作用力,微柱弯曲、薄膜卷曲或支撑线偏转也可提供力的测量结果。三维组织外围的结构适合观察整体收缩,嵌入组织的微滴或颗粒则可分辨局部力学变化。

整体收缩结构往往同时规定组织形状,局部传感器也会在组织中引入不同材料。作者指出,测量系统可能改变正在研究的组织,需要针对关心的生物学指标与适当对照比较。

纤维化与快速收缩要求不同时间分辨率

纤维化涉及基质持续积累和组织变硬,长期跟踪小幅变化有助于观察候选疗法相关反应。综述将这类机械测量与纤维化药物筛选具体联系起来。

相比之下,哮喘相关平滑肌收缩与刚度变化可在分钟内发生,需要更快、动态范围合适的检测。作者还提出同时观察刚度与供氧等指标,并考虑病变的局部性。

高通量应用还需检查传感器是否稳健

芯片空间小、构型封闭,常规整组织力学设备不易直接接入。传感器还要兼容材料加工、连接和表面处理;这些环节可能改变传感结构本身的机械性质。

集成传感也会增加系统复杂性及失败风险,药筛所需的大量重复尤其依赖可靠测量。作者把不干扰组织、保留合适测量尺度和提高稳健性列为设计要求。

来源与延伸阅读

  1. Integrating mechanical sensor readouts into organ-on-a-chip platforms. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2022. doi:10.3389/fbioe.2022.1060895 ↗