Mekaniska krafter styr biologiska processer, från sammandragningarna av det pumpliknande hjärtat, till muskler som liknar strängar och remskivor, och celler som utför mikroskopiska dragkamper.

Tidigare, dessa mekaniska aspekter av biologi har till stor del ignorerats, inte minst på grund av brist på teknik som möjliggör invecklade mekaniska mätningar.

Men bättre verktyg utvecklas, och dessa möjliggör spårning av mekanisk aktivitet i celler och vävnader.

Och på grund av denna synlighet, nya läkemedel och behandlingar börjar dyka upp.

Mekanobiologi är vetenskapen om hur celler och vävnader känner av och reagerar på mekaniska krafter.

Precis som vi människor har muskler och ben som ger oss förmågan att utöva krafter, var och en av våra celler har också ett skelett:cytoskelettet. Detta nätverk av fibrer tillåter celler att utöva och motstå krafter, och gör det möjligt för dem att röra sig.

Tittar på T-celler

T-celler är en del av vårt immunsystem:de kan agera som cellmördare, döda andra celler som de som är infekterade med virus, eller cancerceller.

I mikroskala (ungefär en hundradel av ett människohår), vi kan visualisera och följa T-celler som "jagar" efter cancerceller när de rör sig och tränger sig igenom vävnader. Detta gäller tillvägagångssättet som kallas 3-D dragkraftsmikroskopi (TFM).

När man hittade en cancercell, en T-cell tar stadigt tag i sitt mål, och ger en "dödskyss".

Tekniker kända som dubbelpipettaspiration (DPA) och optisk pincett (se video nedan) gör att vi kan ta tag i enskilda celler, och koppla ihop dem på ett kontrollerat sätt. Detta gör att vi kan förstå och illustrera mekaniken bakom denna dödliga "kyss".

Genom att använda mekanobiologiska tekniker för att se hur T-celler hittar och dödar cancerceller, kan möjliggöra bättre inriktning av immunterapier mot cancer.

Den första immunterapin riktad mot cancer med hjälp av en patients egna T-celler godkändes nyligen av den amerikanska livsmedels- och läkemedelsmyndigheten (FDA).

Känner av kraften

Celler använder kraftsensorer för att upptäcka och skilja mellan många av de fysiska signaler som de upplever.

En stor klass av kraftsensorer är "mekanokänsliga jonkanaler". Det här är hål, eller porer, i cellens yta som kan öppnas och stängas.

När cellen känner av en fysisk kraft eller en mekanisk stimulans (i huvudsak, som en mikroskopisk prod), dessa porer kan öppnas. Kemikalier rör sig in och ut, och en liten elektrisk ström leds över cellväggen. Detta kan mätas genom att fästa små elektroder på ytan av en cell.

Många typer av celler och vävnader har sådana sensorer, och reagera på förändringar i mekaniska belastningar. Dessa inkluderar nervcellerna som stöder vår känsel, metastaserande cancerceller och de celler som bibehåller vårt brosk i skelettet.

Läkemedlet EVENITY – som syftar till att förhindra benförlust vid osteoporos – verkar genom denna väg. Läkemedlet blockerar sklerostin, en nyckelfaktor som naturligt hämmar benbildning baserat på benbildande cellers mekanosenserande funktioner.

Testade på möss som reser till den internationella rymdstationen, behandlingen har nu passerat kliniska prövningar på människor och väntar på FDA-godkännande för användning vid behandling av osteoporotiska patienter i USA.

Organ på ett chip

Organ-on-chip-teknologi är utformad för att underlätta läkemedelsutveckling, sjukdomsmodellering och personlig medicin. Varje enskild enhet är gjord av ett transparent material som kallas polymer:det är ungefär lika stort som ett USB-minne, och består av ihåliga kanaler kantade av levande mänskliga celler.

Dessa chips skiljer sig från andra laboratorietester som cellodling, genom att de kan efterlikna fysiologin och mekaniken för hur celler interagerar med levande vävnader (snarare än att bara titta på svar i enskilda celler).

Till exempel, organ-on-chips kan återskapa arkitekturen hos mänskliga organ på mikroskopisk nivå, inklusive tarmarna, njure, hud, benmärg och delar av hjärnan.

Ett exempel på användning av lungvävnad beskrivs i videon nedan. Denna teknik ger ett sätt att se sjukdomar i vävnader, och är ett alternativ till djurförsök för läkemedelsutveckling.

Många forskare och bioteknikföretag hoppas att teknik som organ-on-chips ska påskynda utvecklingen av nya läkemedel, och utveckla personlig medicin.

Med hjälp av befintliga tekniker, kliniska studier kan ta år att slutföra och att testa en enda substans kan kosta många miljoner dollar. Också, prekliniska djurstudier misslyckas ofta med att förutsäga mänskliga svar eftersom djurmodeller inte alltid exakt efterliknar mänskliga biologiska svar.

I april 2017, FDA tillkännagav ett flerårigt forsknings- och utvecklingsavtal för att utvärdera organ-on-chips-teknologi, börjar med ett leverchip.

Avtalet kan komma att utökas i framtiden för att täcka ytterligare organchips, inklusive njure, lung- och tarmmodeller.

Mekanobiologi integrerar fysik i biologi och driver utvecklingen av ny teknik. Titta på celler i rörelse, förstå och mäta krafter på cellulär skala, och att skapa minimodeller av mänskliga vävnader i labbet är bara början.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.