Data-driven traction force microscopy in 3D collagen hydrogels
यह शोध पत्र डेटा-ड्रिवन ट्रैक्शन फोर्स माइक्रोस्कोपी (DD-TFM) प्रस्तुत करता है, जो एक नवीन विधि है जो 3D कोलेजन हाइड्रो जैल को निरंतर (continua) के बजाय विविक्त फाइबर नेटवर्क (discrete fiber networks) के रूप में पुनर्गठित और मॉडल करती है, जिससे कोशिका-जनित बलों और मैट्रिक्स तनावों का फाइबर-स्तरीय मात्रात्मक निर्धारण संभव हो पाता है।
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कोशिकाएं एकांत में नहीं रहती हैं; वे प्रोटीन और शर्करा से बने एक जटिल, त्रि-आयामी मचान (scaffold) में अंतर्निहित होती हैं जिसे एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स (extracellular matrix) कहा जाता है। यह संरचना केवल एक निष्क्रिय पिंजरा नहीं है, बल्कि एक गतिशील वातावरण है जिसे कोशिकाएं लगातार टटोलती हैं, खींचती हैं और नया आकार देती हैं। भौतिक बल उत्पन्न करके, कोशिकाएं अपने परिवेश की कठोरता और बनावट को महसूस कर सकती हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो विकास के दौरान ऊतकों के निर्माण, घावों के भरने और कैंसर जैसी बीमारियों के फैलने जैसे आवश्यक जैविक कार्यों का मार्गदर्शन करती है। इन अंतःक्रियाओं को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को उन सूक्ष्म बलों को मापने की आवश्यकता होती है जो कोशिकाएं लगाती हैं और उनके आसपास की सामग्री में होने वाले परिणामी विरूपण (deformations) को मापने की आवश्यकता होती है। वर्षों से, शोधकर्ताओं ने इन बलों का मानचित्र बनाने के लिए ट्रैक्शन फोर्स माइक्रोस्कोपी नामक तकनीक का उपयोग किया है, लेकिन जब इसे वास्तविक जैविक जेलों की रेशेदार, जाल जैसी प्रकृति पर लागू किया गया, तो पारंपरिक तरीकों ने सरलीकृत धारणाओं पर भरोसा किया जो सामग्री को एक चिकने, निरंतर पदार्थ के रूप में मानते हैं, जैसे कि रबर का एक ब्लॉक। यह दृष्टिकोण अक्सर इस बारीक वास्तविकता को छोड़ देता है कि कोशिकाएं वास्तव में अपनी दुनिया के साथ कैसे अंतःक्रिया करती हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन बलों को देखने का एक नया तरीका विकसित किया है जो चिकने सन्निकटन (approximation) के बजाय रेशों की वास्तविक, अव्यवस्थित वास्तुकला को अपनाता है। जेल को समान मानने के बजाय, उन्होंने कोलेजन फाइबर के उच्च-रिज़ॉल्यूशन 3D चित्रों का उपयोग करके एक डिजिटल मॉडल बनाया जो वास्तविक नेटवर्क की तरह तंतु-दर-तंतु नकल करता है। फिर उन्होंने इस डिजिटल मॉडल को तनाव के तहत जेल के व्यवहार के भौतिक मापों के विरुद्ध कैलिब्रेट किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि आभासी रेशे वास्तविक रेशों की तरह ही मुड़ते और खिंचते हैं। एंडोथेलियल कोशिकाओं (रक्त वाहिकाओं को रेखांकित करने वाले प्रकार की कोशिकाएं) पर इस "डेटा-संचालित" दृष्टिकोण को लागू करके, टीम उन बलों की गणना कर सकी जो ये कोशिकाएं उत्पन्न करती हैं, जो पहले असंभव स्तर की सूक्ष्मता के साथ संभव हुआ। उन्होंने पाया कि बल जेल में समान रूप से वितरित नहीं होते हैं; इसके बजाय, वे जुड़े हुए रेशों द्वारा परिभाषित विशिष्ट पथों के साथ चलते हैं, जो एक अद्वितीय यांत्रिक हस्ताक्षर (mechanical signature) बनाता है जो पूरी तरह से नेटवर्क की स्थानीय व्यवस्था पर निर्भर करता है।
शोधकर्ताओं ने अपने नए तरीके का परीक्षण करने के लिए, जिसे वे डेटा-संचालित ट्रैक्शन फोर्स माइक्रोस्कोपी कहते हैं, उसी प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग करके मानक निरंतरता (continuum) दृष्टिकोण के विरुद्ध तुलना की। उन्होंने देखा कि जबकि पारंपरिक विधि समग्र रूप से कोशिका द्वारा लगाए गए बल के बारे में व्यापक रुझानों को पकड़ सकती थी, वह यह अनुमान लगाने में विफल रही कि वे बल कहाँ केंद्रित थे। मानक मॉडल ने यह माना कि जेल का विस्थापन (displacement) कोशिका से दूर जाने पर सुचारू रूप से कम हो जाएगा, ठीक वैसे ही जैसे तालाब में लहरें समान रूप से फैलती हैं। हालांकि, नए फाइबर-आधारित मॉडल ने खुलासा किया कि जेल इस तरह से समान रूप से विकृत नहीं होता है। इसके बजाय, विस्थापन रेशों के विशिष्ट कनेक्शनों का अनुसरण करता था; कोशिका से सीधे जुड़ा एक फाइबर काफी हिल सकता है, जबकि उसी दूरी पर स्थित एक पड़ोसी फाइबर, जो लोड पथ से नहीं जुड़ा है, अपेक्षाकृत स्थिर रहता है। यह खोज बताती है कि पारंपरिक चिकने मॉडल उस यांत्रिक वातावरण का अत्यधिक सरलीकरण कर सकते हैं जिसका अनुभव कोशिकाएं वास्तव में करती हैं।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनकी नई विधि विश्वसनीय है, टीम ने सबसे पहले कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके इसका सत्यापन किया जहाँ उन्हें पहले से ही सटीक उत्तर पता था। उन्होंने एक वास्तविक कोलेजन नेटवर्क के भीतर एक आभासी संकुचनशील कोशिका बनाई और वास्तविक माइक्रोस्कोप छवियों में पाई जाने वाली खामियों की नकल करने के लिए यथार्थवादी मात्रा में शोर (noise) जोड़ा। जब उन्होंने दोनों विधियों का उपयोग करके बलों को पुनः प्राप्त करने की कोशिश की, तो नया दृष्टिकोण कहीं अधिक श्रेष्ठ साबित हुआ। इसने बलों के परिमाण और दिशा को सटीक रूप से पुनर्गठित किया, जबकि पारंपरिक विधि ने खिंचाव की शक्ति को कम करके बताया और कोशिका से दूर के क्षेत्रों में अवास्तविक बल उत्पन्न किए। इस सत्यापन ने शोधकर्ताओं को वास्तविक जैविक नमूनों, विशेष रूप से कोलेजन जेल में अंतर्निहित मानव एंडोथेलियल कोशिकाओं पर अपनी तकनीक लागू करने के लिए विश्वास प्रदान किया।
अपने प्रयोगों में, टीम ने स्वस्थ कोशिकाओं की तुलना उन कोशिकाओं से की जिन्हें उनके संकुचन करने की क्षमता को रोकने वाले ड्रग से उपचारित किया गया था। जैसा कि अपेक्षित था, स्वस्थ कोशिकाओं ने मैट्रिक्स पर अधिक जोर दिया, अधिक बल उत्पन्न किया और आसपास के रेशों में अधिक ऊर्जा संग्रहीत की। नए तरीके ने शोधकर्ताओं को इस ऊर्जा को दो अलग-अलग प्रकार के विरूपण में विभाजित करने की अनुमति दी: झुकना (bending) और खिंचाव (stretching)। उन्होंने देखा कि जैसे ही कोशिकाओं ने खींचना शुरू किया, उन्होंने शुरू में रेशों को मोड़ा, लेकिन जैसे-जैसे विरूपण बढ़ा, रेशों ने खिंचाव के शासन (regime) में संक्रमण किया। यह बदलाव स्वस्थ कोशिकाओं में ड्रग-उपचारित कोशिकाओं की तुलना में जल्दी हुआ, जो एक स्पष्ट यांत्रिक अंतर प्रदान करता था जो केवल नए तरीके के कारण दृश्यमान था क्योंकि यह व्यक्तिगत रेशों के व्यवहार को हल कर सकता था।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि दोनों विधियाँ डेटा की व्याख्या कैसे करती हैं। जब शोधकर्ताओं ने देखा कि जेल में तनाव कोशिका से दूरी के साथ कैसे कम होता है, तो पारंपरिक मॉडल ने एक तीव्र, सुचारू गिरावट दिखाई। इसके विपरीत, डेटा-संचालित मॉडल ने दिखाया कि तनाव लंबे समय तक बना रहा और रेशों के विशिष्ट ज्यामिति का अनुसरण किया। इसका अर्थ यह है कि यांत्रिक संकेत पहले की तुलना में अधिक दूरी तक और अधिक जटिल पैटर्न में यात्रा कर सकते हैं, जिससे कोशिकाएं मैट्रिक्स के भौतिक कनेक्शनों के माध्यम से अपने पड़ोसियों के साथ लंबी दूरी तक संवाद कर सकती हैं। एक चिकने, निरंतर पदार्थ की धारणा से हटकर और एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स की विविक्त (discrete), फाइबर-आधारित वास्तविकता को अपनाकर, यह नया दृष्टिकोण कोशिकाओं और उनके वातावरण के बीच यांत्रिक संवाद की एक अधिक सटीक खिड़की खोलता है, जो बल संचरण की एक ऐसी दुनिया को प्रकट करता है जो केवल सरल दूरी के बजाय रेशों की विशिष्ट वास्तुकला द्वारा निर्देशित होती है।
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