Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

منذ عقود، يعلم العلماء أن الخلايا الحية حساسة لصلابة الأرض تحتها. تماماً كما قد يمشي الشخص بشكل مختلف على طريق معبد مقار بتلك المشي في حقل طيني، تغير الخلايا شكلها وحركتها وبنيتها الداخلية اعتماداً على ما إذا كانت تجلس على سطح صلب أو ناعم. هذه القدرة على الشعور بالصلابة الميكانيكية والتفاعل معها تسمى "الاستشعار الميكانيكي" (mechanosensing). وهي عملية أساسية تساعد الخلايا في تقرير ما إذا كانت ستنمو أو تنقسم أو تتحرك، وتلعب دوراً حاسماً في كيفية تشكل الأنسجة وكيفية انتشار أمراض مثل السرطان. ولدراسة ذلك، يقوم الباحثون عادةً بزراعة الخلايا على أسطح اصطناعية تحاكي بيئة الجسم الطبيعية. اثنان من أكثر المواد شيوعاً المستخدمة لهذه الأسطح هما الهيدروجيل (hydrogels)، وهي هلامات غنية بالمياه تشبه الأنسجة داخل أجسامنا، والإيلاستومر (elastors)، وهي بلاستيك يشبه المطاط.

ومع ذلك، ظل هناك لغز طويل الأمد في المختبر: تتصرف الخلايا بشكل مختلف على هاتين المادتين حتى عندما يتم جعلهما تمتلكان نفس الصلابة المقاسة. فعلى سطح مطاطي ناعم، غالباً ما تتصرف الخلايا كما لو كانت المادة أكثر صلابة بكثير مما هي عليه بالفعل، رافضة الانتشار كما تفعل على هيدروجيل ناعم. لسنوات، اشتبه العلماء في أن عوامل مثل خشونة السطح، أو المسامية، أو الخصائص الطاردة للماء هي المسؤولة عن ذلك. لكن السبب الحقيقي لهذا التباين ظل مخفياً، مما ترك فجوة في فهمنا لكيفية إدراك الخلايا لعالمها حقاً.

لقد كشف فريق من الباحثين في جامعة توبينجن الآن عن القطعة المفقودة من اللغز. فقد اكتشفوا أن الأسطح المطاطية المستخدمة في هذه التجارب تمتلك خاصية فيزيائية خفية تسمى "التوتر البيني" (interface tension). هذا قوة تعمل على طول الحافة التي تلتقي فيها المادة الصلبة بالبيئة السائلة، بشكل يشبه التوتر الذي تشعر به على سطح قطرة ماء. وجد الباحثون أنه على الركائز المطاطية الناعمة، يكون هذا التوتر البيني قوياً بشكل مفاجئ، حيث يتراوح بين 10 إلى 20 ميلي نيوتن لكل متر. هذه القوة كبيرة جداً لدرجة أنها تجعل السطح يبدو أكثر صلابة من وجهة نظر الخلية. فعندما تحاول الخلية الدفع ضد سطح مطاطي ناعم، فإنها تواجه ليس فقط نعومة المطاط نفسه، بل أيضاً هذه المقاومة الإضافية من التوتر البيني. والنتيجة هي أن الخلية تستشعر سطحاً أكثر صلابة بكثير مما هو عليه المطاط في الواقع.

ولكشف هذه القوة غير المرئية، استخدم الفريق أداة تصوير متخصصة تسمى مجهر التوصيل الأيوني الماسح (scanning ion conductance microscopy). وخلافاً للمجاهر التقليدية التي قد تضغط على العينة وتجعلها تنبعج، فإن هذه التقنية تحوم فوق السطح مباشرة، وتقيس تدفق الكهرباء عبر طرف زجاجي صغير مملوء بسائل. ومن خلال فحص الأسطح المطاطية بلطف بهذه الطريقة، استطاع الباحثون قياس مدى تشوه المادة تحت قوة مجهرية. ووجدوا أنه بينما كان المطاط يبدو ناعماً عند قياسه بأدوات واسعة النطاق، فإنه بدا صلباً بشكل ملحوظ تحت الطرف الصغير للمجهر. حدث هذا التباين لأن التوتر البيني كان يقاوم التشوه، مما جعل المطاط الناعم يشعر وكأنه مادة أكثر صلابة بكثير.

بعد ذلك، اختبر الباحثون ما إذا كان إزالة هذا التوتر سيغير سلوك الخلايا. فقد عالجوا الأسطح المطاطية بمادة تُعرف باسم "المستحلب" (emulsifier)، وهي مصممة لخفض التوتر السطحي. بعد هذا العلاج، انخفض التوتر البيني بشكل كبير، حيث هبط إلى حوالي 3 إلى 4 ميلي نيوتن لكل متر. وعندما قاموا بزراعة الخلايا على هذه الأسطح المعالجة، تغير السلوك بشكل دراماتيكي؛ فلم تعد الخلايا تتصرف كما لو كان السطح صلباً، بل انتشرت وتصرفت تماماً كما تفعل على هيدروجيل ناعم. وقد أكد هذا أن الخلايا لم تكن تتفاعل مع صلابة المطاط المتأصلة، بل مع التأثير المشترك لتلك الصلابة والتوتر البيني.

من خلال الجمع بين هذه الملاحظات، طور الفريق نموذجاً فيزيائياً بسيطاً لتفسير هذه الظاهرة. فقد حددوا أن الخلايا تستشعر "صلابة فعالة" هي مجموع صلابة المادة الفعلية وقيمة مشتقة من التوتر البيني. تعتمد هذه العلاقة على مقياس طول محدد، والذي حسبه الباحثون بنحو 3 ميكرومتر. يتوافق هذا الحجم تقريباً مع المقياس الخاص بالمرابط الصغيرة التي تستخدمها الخلايا للتشبث بالأسطح. ويشير النموذج إلى أنه كلما تفاعلت خلية مع مادة ناعمة، فإنها تشعر في الأساس بمزيج من صلابة المادة الكلية والتوتر عند سطحها.

يعيد هذا الاكتشاف صياغة كيفية تفسير العلماء للتجارب المتعلقة بالمواد الناعمة. فهو يفسر لماذا تتصرف الخلايا على الركائز المطاطية بشكل مختلف تاريخياً عن تصرفها على الهيدروجيل، حتى عندما كان من المفترض أن تكون المواد متطابقة في الصلابة. وتظهر الدراسة أن التوتر البيني هو عامل حاسم، وغالباً ما يتم إغفاله، في علم البيولوجيا الميكانيكية (mechanobiology). وبالنسبة للباحثين، يعني هذا أنه لا يكفي مجرد مطابقة صلابة المادة، بل يجب عليهم أيضاً مراعاة التوتر عند السطح. ومن خلال فهم هذه الخاصية والتحكم فيها، يمكن للعلماء إنشاء نماذج أكثر دقة لجسم الإنسان، مما يؤدي إلى رؤى أفضل لكيفية عمل الخلايا في حالات الصحة والمرض. يسلط هذا العمل الضوء على أن العالم الفيزيائي الذي تسكنه الخلايا أكثر تعقيداً من مجرد مقياس للصلابة، فهو يتضمن توازناً دقيقاً من القوى التي تملي الحياة على المستوى المجهري.