ในชีววิทยาของเซลล์กล้องจุลทรรศน์แรงดึง ( TFM ) เป็นวิธีการทดลองสำหรับกำหนดแรงดึงบนพื้นผิวของเซลล์โดยการวัดสนามการเคลื่อนที่ โดยรอบ ภายในเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) ในหลอดทดลอง

พฤติกรรมเชิงกลแบบไดนามิกของปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับ ECM และ ระหว่างเซลล์กับเซลล์เป็นที่ทราบกันดีว่ามีอิทธิพลต่อการทำงานของเซลล์มากมาย รวมถึงการตายของเซลล์การแบ่งตัว การยึดเกาะการอพยพการเคลื่อนที่ และการเจริญเติบโต TFM ใช้การกระจัดของ ECM ที่สังเกตได้จากการทดลองเพื่อคำนวณแรงดึงหรือเวกเตอร์ความเค้นที่พื้นผิวของเซลล์ ก่อน TFM มีความพยายามสังเกตแรงดึงของเซลล์บนพื้นผิวซิลิโคนยางที่เกิดรอยย่นรอบเซลล์^{[ 1 ]}อย่างไรก็ตาม การหาปริมาณแรงดึงที่แม่นยำในเทคนิคดังกล่าวเป็นเรื่องยากเนื่องจากพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นและคาดเดาไม่ได้ของรอยย่น หลายปีต่อมา คำศัพท์ TFM ได้ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายขั้นตอนการคำนวณขั้นสูงกว่าที่สร้างขึ้นเพื่อแปลงการวัดการเสียรูปของพื้นผิวเป็นความเค้นแรงดึงโดยประมาณ^{[ 2 ]}

ใน TFM แบบดั้งเดิม เซลล์จะถูกเพาะเลี้ยงบนหรือภายในECM 3 มิติ ที่โปร่งใส ซึ่งฝังด้วยไมโครสเฟียร์เรืองแสง (โดยทั่วไปคือลูกปัดลาเท็กซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.2-1  μm ) ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} สามารถใช้ ไฮโดรเจลธรรมชาติและสังเคราะห์ได้หลากหลายชนิดเพื่อจุดประสงค์นี้ โดยมีข้อกำหนดเบื้องต้นว่าพฤติกรรมทางกลของวัสดุนั้นได้รับการกำหนดลักษณะอย่างดี และไฮโดรเจลนั้นสามารถรักษาความมีชีวิตของเซลล์ได้ เซลล์จะออกแรงของตัวเองลงบนพื้นผิวนี้ ซึ่งจะส่งผลให้ลูกปัดใน ECM โดยรอบเคลื่อนที่ ในบางการศึกษามีการใช้ผงซักฟอกเอนไซม์หรือยา เพื่อรบกวนโครงสร้าง ไซโตสเกเลตันซึ่งจะทำให้แรงดึงที่เกิดจากเซลล์เปลี่ยนแปลงไป หรือบางครั้งก็กำจัดออกไปได้อย่างสมบูรณ์

ขั้นแรก จะคำนวณสนามการกระจัดต่อเนื่องจากภาพสองภาพ โดยภาพแรกเป็นโครงสร้างอ้างอิงของไมโครสเฟียร์ที่ล้อมรอบเซลล์เดี่ยว และภาพที่สองเป็นเซลล์เดี่ยวเดียวกันที่ถูกล้อมรอบด้วยไมโครสเฟียร์ซึ่งตอนนี้ถูกเคลื่อนที่เนื่องจากแรงดึงที่เกิดจากเซลล์ โดยปกติจะใช้ กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์แบบคอนโฟคอลในการถ่ายภาพพื้นผิวเซลล์และลูกปัดเรืองแสง หลังจากคำนวณสนามการกระจัดเชิงแปลระหว่างโครงสร้างที่เสียรูปและไม่เสียรูปแล้ว สามารถคำนวณสนามความเครียดได้โดยมักใช้แนวทางการปรับค่า ซึ่งวิธีที่ดีที่สุดคือการปรับค่าแบบตาข่ายยืดหยุ่น^{[ 8 ]}จากสนามความเครียด สามารถคำนวณ สนามความเค้นที่ล้อมรอบเซลล์ได้โดยอาศัยความรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมความเค้น-ความเครียด หรือแบบจำลองเชิงโครงสร้างของวัสดุไฮโดรเจลโดยรอบ เป็นไปได้ที่จะดำเนินการต่อไปอีกขั้นหนึ่ง และใช้สนามความเค้นในการคำนวณแรงดึงที่พื้นผิวของเซลล์ หากสามารถหาเวกเตอร์ปกติไปยังพื้นผิวเซลล์ได้จากชุด ภาพ 3 มิติ แม้ว่าขั้นตอนนี้จะเป็นวิธีทั่วไปในการหาแรงดึงของเซลล์จากการเคลื่อนที่ของไมโครสเฟียร์ แต่บางการศึกษาได้ใช้อัลกอริทึมการคำนวณแบบผกผันเพื่อให้ได้สนามแรงดึงสำเร็จ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

ความละเอียดเชิงพื้นที่ของสนามแรงดึงที่สามารถกู้คืนได้ด้วย TFM นั้นถูกจำกัดด้วยจำนวนการวัดการกระจัดต่อพื้นที่^{[ 12 ]}ระยะห่างของการวัดการกระจัดอิสระจะแตกต่างกันไปตามการตั้งค่าการทดลอง แต่โดยทั่วไปจะอยู่ในระดับไมโครเมตร รูปแบบแรงดึงที่เซลล์สร้างขึ้นมักจะมีค่าสูงสุดและต่ำสุดเฉพาะที่ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า การตรวจจับความแปรผันเล็กน้อยเหล่านี้ในแรงดึงของเซลล์เฉพาะที่ด้วย TFM ยังคงเป็นเรื่องท้าทาย

ใน TFM แบบ 2 มิติ เซลล์จะถูกเพาะเลี้ยงเป็นชั้นเดียวบนพื้นผิวของวัสดุรองรับบางๆ ที่มีความแข็งปรับได้ และไมโครสเฟียร์ที่อยู่ใกล้พื้นผิวของวัสดุรองรับจะเกิดการเปลี่ยนรูปผ่านการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์กับ ECM การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 2.5 มิติก็เช่นเดียวกัน โดยจะเพาะเลี้ยงบนชั้น ECM บางๆ และโปรตีน ECM โครงสร้างที่เจือจางจะถูกผสมลงในตัวกลางที่เติมเหนือเซลล์และวัสดุรองรับ แม้ว่างานวิจัยที่สำคัญส่วนใหญ่ใน TFM จะดำเนินการในแบบ 2 มิติ หรือ 2.5 มิติ แต่เซลล์หลายชนิดต้องการสัญญาณทางชีวฟิสิกส์และชีวเคมีที่ซับซ้อนจาก ECM แบบ 3 มิติ เพื่อให้มีพฤติกรรมที่สมจริงทางสรีรวิทยาอย่างแท้จริงภายในสภาพแวดล้อมในหลอดทดลอง^{[ 13 ]}

เมื่อการหมุนหรือการยืดของปริมาตรย่อยมีขนาดใหญ่ ข้อผิดพลาดอาจเกิดขึ้นในการคำนวณแรงดึงผิวเซลล์ เนื่องจากเทคนิค TFM ส่วนใหญ่ใช้กรอบการคำนวณตามความยืดหยุ่นเชิงเส้น ความก้าวหน้าล่าสุดใน TFM แสดงให้เห็นว่าเซลล์สามารถออกแรงเสียรูปด้วยขนาดความเครียดได้ถึง 40% ซึ่งต้องใช้แนวทางทฤษฎีการเสียรูปจำกัดเพื่อพิจารณาขนาดความเครียดขนาดใหญ่^{[ 14 ]}

แม้ว่า TFM จะถูกใช้บ่อยในการสังเกตแรงดึงที่พื้นผิวของเซลล์แต่ละเซลล์ที่แยกตัวออกจากกันในเชิงพื้นที่ แต่ TFM ในรูปแบบต่างๆ ก็สามารถใช้ในการวิเคราะห์พฤติกรรมโดยรวมของระบบหลายเซลล์ได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเซลล์และพลิโทแท็กซิสจะถูกสังเกตควบคู่ไปกับแผนที่การเปลี่ยนแปลงความเครียดที่คำนวณได้ของแผ่นเซลล์ชั้นเดียว ในแนวทางที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์ความเครียดชั้นเดียว^{[ 15 ]}พฤติกรรมทางกลของเซลล์เดี่ยวกับชั้นเซลล์ที่หนาแน่นแตกต่างกันตรงที่ชั้นเซลล์เดียวจะอยู่ในสภาวะ "ดึงกันไปมา" นอกจากนี้ยังมีหลักฐานของการกระจายแรงดึงใหม่ที่สามารถเกิดขึ้นได้เร็วกว่าการเปลี่ยนแปลงขั้วเซลล์และการเคลื่อนที่^{[ 16 ]}

TFM ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์อย่างยิ่งในการศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ตามแรงกดของกระดูกด้วยเช่นกัน

TFM เพิ่งถูกนำมาใช้เพื่อสำรวจกลไกการรุกราน ของ เซลล์มะเร็ง โดยมี สมมติฐานว่าเซลล์ที่สร้างแรงดึงขนาดใหญ่จะรุกรานได้มากกว่าเซลล์ที่มีแรงดึงต่ำกว่า^{[ 17 ]}นอกจากนี้ยังหวังว่าผลการค้นพบล่าสุดจาก TFM จะมีส่วนช่วยในการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการวิศวกรรมเนื้อเยื่อและการสร้างใหม่ของระบบประสาทส่วนปลาย [ ^{18 ]}การปลูกถ่ายหลอดเลือดแดง^{[ 19 ]}และ^{เซลล์}ผิวหนังเยื่อบุผิว^{[ 20 ]}