Механобиология - Mechanobiology
Механобиология - это развивающаяся область науки на стыке биологии, инженерии и физики. Он фокусируется на том, как физические силы и изменения механических свойств клеток и тканей способствуют развитию, дифференцировке клеток, физиологии и болезням. Существуют механические силы, которые можно интерпретировать как биологические реакции в клетках. Движение суставов, сжимающие нагрузки на хрящи и кости во время упражнений и сдвигающее давление на кровеносный сосуд во время кровообращения - все это примеры механических сил в тканях человека. Основной проблемой в этой области является понимание механотрансдукции - молекулярных механизмов, с помощью которых клетки воспринимают механические сигналы и реагируют на них. В то время как медицина обычно ищет генетические и биохимические основы заболевания, достижения в механобиологии позволяют предположить, что изменения в механике клеток, структуре внеклеточного матрикса или механотрансдукции могут способствовать развитию многих заболеваний, включая атеросклероз , фиброз , астму , остеопороз , сердечную недостаточность. , и рак . Существует также прочная механическая основа для многих общих заболеваний, таких как боли в пояснице, травмы стопы и осанки, деформации и синдром раздраженного кишечника .
Чувствительные к нагрузке ячейки
Фибробласты
Кожные фибробласты имеют жизненно важное значение в развитии и заживления ран , и они страдают от механических сигналы как на растяжение, сжатие и давления сдвига. Фибробласты синтезируют структурные белки, некоторые из которых являются механочувствительными и составляют неотъемлемую часть внеклеточного матрикса (ECM) e. g коллаген типов I, III, IV, V VI, эластин , ламин и т. д. В дополнение к структурным белкам фибробласты вырабатывают фактор некроза опухоли - альфа (TNF-α), трансформирующий фактор роста-бета (TGF-β ) и матриксные металлопротеазы, которые играют в ткани в поддержании и ремоделировании тканей.
Хондроциты
Суставной хрящ - это соединительная ткань, которая защищает кости несущих суставов, таких как колено, плечо, обеспечивая смазанную поверхность. Он деформируется в ответ на сжимающую нагрузку, тем самым уменьшая нагрузку на кости. Эта механическая отзывчивость суставного хряща обусловлена его двухфазной природой; он содержит как твердую, так и жидкую фазы. Жидкая фаза состоит из воды, на долю которой приходится 80% сырого веса, и неорганических ионов e. g Ион натрия, ион кальция и ион калия. Твердая фаза состоит из пористого ECM. Протеогликаны и интерстициальные жидкости взаимодействуют, создавая сжимающую силу для хряща за счет отрицательных электростатических сил отталкивания. Разница в концентрации ионов между внеклеточным и внутриклеточным ионным составом хондроцитов приводит к гидростатическому давлению. Во время разработки механическая среда соединения определяет поверхность и топологию соединения. У взрослых требуется умеренная механическая нагрузка для поддержания хрящевой ткани; иммобилизация сустава приводит к потере протеогликанов и атрофии хрящей, а чрезмерная механическая нагрузка приводит к дегенерации сустава.
Ядерная механобиология
Ядро также реагирует на механические сигналы , которые ретранслируемые из внеклеточной матрицы через цитоскелет с помощью помощью линкера нуклеоскелета и цитоскелета (ЛИНК) -associated белков , таких как каши и SUN. Примеры эффекта механических реакций в ядре включают:
- Гиперосмотическая нагрузка приводит к конденсации и транслокации хромосом, а также к активации телангиэктазии и Rad3-связанной атаксии (ATR) в периферической ядерной области, в то время как механическое растяжение из-за гипоосмотической нагрузки и сжатия перемещает и активирует cPLA2 на ядерной мембране.
- Высокое ядерное напряжение ламина А препятствует доступу киназ, тем самым подавляя его деградацию и т. Д.
Механобиология эмбриогенеза
Эмбрион формируется путем самосборки, посредством которой клетки дифференцируются в ткани, выполняющие специальные функции. Ранее считалось, что только химические сигналы дают сигналы, которые контролируют пространственно ориентированные изменения клеточного роста, дифференцировки и переключения судеб, которые обеспечивают морфогенетический контроль. Это основано на способности химических сигналов вызывать биохимические реакции, такие как формирование паттерна ткани в отдаленных клетках. Однако теперь известно, что механические силы, генерируемые внутри клеток и тканей, обеспечивают регулирующие сигналы.
Во время деления оплодотворенного ооцита клетки агрегируются, и плотность между клетками увеличивается с помощью актомиозин-зависимых сил тяги цитоскелета и их приложения к адгезивным рецепторам в соседних клетках, что приводит к образованию твердых шариков, называемых морула . Позиционирование веретена внутри симметрично и асимметрично делящихся клеток у ранних эмбрионов контролируется механическими силами, опосредованными микротрубочками и системой актиновых микрофиламентов. Локальные вариации физических сил и механических сигналов, таких как жесткость ECM, также контролируют экспрессию генов, которые вызывают эмбриональный процесс развития бластуляции . Потеря контролируемого жесткостью фактора транскрипции Cdx ведет к эктопической экспрессии маркеров внутренней клеточной массы в трофэктодерме, и плюрипотентный фактор транскрипции Oct-4 может отрицательно экспрессироваться, тем самым вызывая переключение клонов. Это переключение клеточной судьбы регулируется механочувствительным путем гиппопотама.
Приложения
Эффективность многих механических методов лечения, уже используемых в клинической практике, показывает, насколько важны физические силы в физиологическом контроле. Это подтверждают несколько примеров. Легочный сурфактант способствует развитию легких у недоношенных детей; изменение дыхательных объемов аппаратов ИВЛ снижает заболеваемость и смертность пациентов с острым повреждением легких. Расширяемые стенты физически предотвращают сужение коронарной артерии. Экспандеры тканей увеличивают площадь кожи, доступную для реконструктивной хирургии. Устройства для хирургического натяжения используются для заживления переломов костей, ортодонтии, косметического увеличения груди и закрытия незаживающих ран.
Понимание механических основ регуляции тканей может также привести к разработке улучшенных медицинских устройств, биоматериалов и инженерных тканей для восстановления и реконструкции тканей.
Список известных участников клеточной механотрансдукции постоянно растет и включает ионные каналы , активируемые растяжением , кавеолы , интегрины , кадгерины , рецепторы факторов роста, двигатели миозина, филаменты цитоскелета , ядра , внеклеточный матрикс и множество других сигнальных молекул. Генерируемые эндогенными клетками силы тяги также вносят значительный вклад в эти реакции, модулируя предварительное напряжение растяжения в клетках, тканях и органах, которые регулируют их механическую стабильность, а также передачу механических сигналов от макромасштаба к наномасштабу.