Mechanobiologie - Mechanobiology

Mechanobiologie je rozvíjející se obor vědy na rozhraní biologie, inženýrství a fyziky. Zaměřuje se na to, jak fyzické síly a změny mechanických vlastností buněk a tkání přispívají k vývoji, diferenciaci buněk, fyziologie a nemoc. Mechanické síly jsou prožívány a lze je interpretovat tak, aby poskytovaly biologické odpovědi v buňkách. Pohyb kloubů, tlakové zatížení na chrupavka a kost během cvičení a střihový tlak na cévu během krevního oběhu jsou všechny příklady mechanických sil v lidských tkáních.[1] Hlavní výzvou v této oblasti je porozumění mechanotransdukce —Molekulární mechanismy, kterými buňky snímají a reagují na mechanické signály. Zatímco medicína obvykle hledala genetický a biochemický základ nemoci, pokroky v mechanobiologii naznačují, že změny v mechanice buněk, extracelulární matrix struktura nebo mechanotransdukce může přispět k rozvoji mnoha nemocí, včetně ateroskleróza, fibróza, astma, osteoporóza, srdeční selhání, a rakovina. Existuje také silný mechanický základ pro mnoho všeobecných zdravotních postižení, jako jsou bolesti dolní části zad, poranění chodidla a těla, deformace a syndrom dráždivého tračníku.[2]

Buňky citlivé na zatížení

Fibroblasty

Kůže fibroblasty jsou životně důležité při vývoji a opravě ran a jsou ovlivňovány mechanickými podněty, jako je napětí, stlačení a smykový tlak. Fibroblasty syntetizují strukturní proteiny, z nichž některé jsou mechanosenzitivní a tvoří nedílnou součást extracelulární Matrix (ECM) e. G kolagen typy I, III, IV, V VI, elastin, lamin atd. Kromě strukturních proteinů tvoří i fibroblasty Faktor nádorové nekrózy - alfa (TNF-α), Transformační růstový faktor-beta (TGF-β) a matricové metaloproteázy který hraje v tkáni při údržbě a přestavbě tkáně.[3]

Chondrocyty

Artikulární chrupavka je pojivová tkáň, která chrání kosti nosných kloubů, jako je koleno, rameno, tím, že poskytuje mazaný povrch. Deformuje se v reakci na tlakové zatížení, čímž snižuje napětí na kostech.[4] Tato mechanická odezva kloubní chrupavky je dána její dvoufázovou povahou; obsahuje pevnou i tekutou fázi. Kapalná fáze je tvořena vodou - která tvoří 80% hmotnosti za mokra - a anorganické ionty, např. g Sodný ion, ion vápníku a draselný ion. Pevná fáze je tvořena porézním ECM. Proteoglykany a intersticiální tekutiny interagují a vytvářejí tlakovou sílu na chrupavku prostřednictvím negativních elektrostatických odpudivých sil. Rozdíl iontové koncentrace mezi složením extracelulárních a intracelulárních iontů chondrocytů vede k hydrostatickému tlaku.[5] Během vývoje určuje mechanické prostředí spoje povrch a topologii spoje.[6] U dospělých je k udržení chrupavky nutné mírné mechanické zatížení; imobilizace kloubu vede ke ztrátě proteoglykanů a atrofii chrupavky, zatímco nadměrné mechanické zatížení vede k degeneraci kloubu[7]

Jaderná mechanobiologie

The jádro reaguje také na mechanické signály, které jsou přenášeny z extracelulární matrice přes cytoskelet pomocí Linker of Nucleoskeleton a Cytoskeleton (LINC) - asociované proteiny jako KASH a SUN.[8] Příklady účinku mechanických odpovědí v jádru zahrnují:

  • Výsledkem hyperosmotické stimulace je kondenzace chromozomů a translokace a aktivace Ataxia Telangiectasia a související s Rad3 (ATR) do jaderné periferní oblasti, zatímco mechanické roztahování v důsledku hypoosmotické výzvy a komprese znovu lokalizuje a aktivuje cPLA2 k jaderné membráně.
  • Vysoké jaderné napětí na Lamin A brání přístupu kináz, čímž potlačuje její degradaci atd.[9]

Mechanobiologie embryogeneze

Embryo je tvořeno samo-shromážděním, jehož prostřednictvím se buňky diferencují na tkáně vykonávající specializované funkce. Dříve se věřilo, že pouze chemické signály dávají podněty, které řídí prostorově orientované změny v buněčném růstu, diferenciaci a změně osudu, které zprostředkovávají morfogenetické kontroly. To je založeno na schopnosti chemických signálů vyvolat biochemické reakce, jako je vzorování tkání ve vzdálených buňkách. Nyní je však známo, že mechanické síly generované v buňkách a tkáních poskytují regulační signály.[10]

Během dělení oplodněných oocyt se buňky agregují a kompaktnost mezi buňkami se zvyšuje pomocí aktomyosin-dependentních cytoskeletálních tahových sil a jejich aplikace na lepidlo receptory v sousedních buňkách, což vede k tvorbě pevných koulí zvaných Morula.[11] Polohování vřetena uvnitř symetricky a asymetricky se dělících buněk v časném embryu je řízeno mechanickými silami zprostředkovanými mikrotubuly a aktinovým mikrofilamentním systémem.[12] Místní rozdíly ve fyzikálních silách a mechanických podnětech, jako je tuhost ECM, také řídí expresi genů, které vedou k embryonálnímu vývojovému procesu blastulace. Ztráta tuhosti řízena transkripční faktor Cdx vede k ektopické expresi markerů vnitřní buněčné hmoty v trophectodermu a pluripotentnímu transkripčnímu faktoru, 4. října mohou být negativně vyjádřeny, což vyvolává přepínání řádků. Toto přepínání osudu buněk je regulováno mechanosenzitivně dráha hrocha[13]

Aplikace

Účinnost mnoha mechanických terapií, které jsou již v klinickém použití, ukazuje, jak důležité mohou být fyzické síly ve fyziologické kontrole. Tento příklad ilustruje několik příkladů. Plicní povrchově aktivní látka podporuje vývoj plic u předčasně narozených dětí; úprava dechových objemů mechanických ventilátorů snižuje morbiditu a smrt u pacientů s akutním poškozením plic. Rozšiřitelný stenty fyzicky zabránit zúžení koronární arterie. Tkáňové expandéry zvětšit plochu kůže dostupnou pro rekonstrukční chirurgii.[14] Zařízení pro aplikaci chirurgického napětí se používají pro hojení zlomenin kostí, ortodoncii, kosmetické zvětšení prsou a uzavření nehojících se ran.[Citace je zapotřebí ]

Pohledy na mechanické základy regulace tkání mohou také vést k vývoji vylepšených zdravotnických prostředků, biomateriály a vytvořené tkáně pro opravu a rekonstrukci tkáně.[15]

Známí přispěvatelé k buněčné mechanotransdukci jsou rostoucím seznamem a zahrnují aktivaci napínáním iontové kanály, Caveolae, integriny, kadheriny receptory růstových faktorů, myosinové motory, cytoskeletální vlákna, jádra, extracelulární matrice a mnoho dalších signálních molekul. Endogenní buněčně generované tažné síly také významně přispívají k těmto reakcím tím, že modulují napínací předpětí v buňkách, tkáních a orgánech, které určují jejich mechanickou stabilitu, a také mechanický přenos signálu z makroměr do nanoměřítku.[16][17]

Reference

  1. ^ Wang, J. H.-C .; Thampatty, B. P. (březen 2006). „Úvodní přehled buněčné mechanobiologie“. Biomechanika a modelování v mechanobiologii. 5 (1): 1–16. doi:10.1007 / s10237-005-0012-z. ISSN  1617-7959. PMID  16489478.
  2. ^ Smit, Theodoor H. „Dospívající idiopatická skolióza: Mechanobiologie diferenciálního růstu“. JOR Páteř. n / a (n / a): e1115. doi:10.1002 / jsp2.1115. ISSN  2572-1143.
  3. ^ Tracy, Lauren E .; Minasian, Raquel A .; Caterson, E.J. (Březen 2016). „Funkce extracelulární matrice a dermálních fibroblastů v hojivé raně“. Pokroky v péči o rány. 5 (3): 119–136. doi:10.1089 / rána.2014.0561. ISSN  2162-1918. PMC  4779293. PMID  26989578.
  4. ^ Korhonen, R. K.; Laasanen, M.S .; Töyräs, J; Rieppo, J; Hirvonen, J; Helminen, H.J .; Jurvelin, J.S (červenec 2002). "Srovnání rovnovážné odezvy kloubní chrupavky při neomezené kompresi, omezené kompresi a odsazení". Journal of Biomechanics. 35 (7): 903–909. doi:10.1016 / s0021-9290 (02) 00052-0. ISSN  0021-9290.
  5. ^ Ateshian, GA; Warden, W.H .; Kim, J.J .; Grelsamer, R.P .; Mow, V.C. (Listopad 1997). „Konečné deformace dvoufázových materiálových vlastností bovinní kloubní chrupavky z experimentů s omezenou kompresí“. Journal of Biomechanics. 30 (11–12): 1157–1164. doi:10.1016 / s0021-9290 (97) 85606-0. ISSN  0021-9290.
  6. ^ Wong, M; Carter, D.R (červenec 2003). „Funkční histomorfologie a mechanobiologie kloubní chrupavky: perspektiva výzkumu“. Kost. 33 (1): 1–13. doi:10.1016 / s8756-3282 (03) 00083-8. ISSN  8756-3282.
  7. ^ Haapala, Jussi; Arokoski, Jari P.A .; Hyttinen, Mika M .; Lammi, Mikko; Tammi, Markku; Kovanen, Vuokko; Helminen, Heikki J .; Kiviranta, Ilkka (květen 1999). „Remobilizace plně neobnovuje imobilizaci vyvolanou atrofii kloubní chrupavky“. Klinická ortopedie a související výzkum. 362: 218???229. doi:10.1097/00003086-199905000-00031. ISSN  0009-921X.
  8. ^ Stroud, Matthew J. (srpen 2018). "Linker nukleoskeletů a proteinů komplexu cytoskeletů v kardiomyopatii". Biofyzikální recenze. 10 (4): 1033–1051. doi:10.1007 / s12551-018-0431-6. ISSN  1867-2450. PMC  6082319. PMID  29869195.
  9. ^ Xia, Yuntao; Pfeifer, Charlotte R .; Cho, Sangkyun; Discher, Dennis E .; Irianto, Jerome (2018-12-21). del Río Hernández, Armando (ed.). „Nuclear mechanosensing“. Nová témata v biologických vědách. 2 (5): 713–725. doi:10.1042 / ETLS20180051. ISSN  2397-8554. PMC  6830732. PMID  31693005.
  10. ^ Mammoto, Akiko; Mammoto, Tadanori; Ingber, Donald E. (01.07.2012). "Mechanosenzitivní mechanismy v transkripční regulaci". Journal of Cell Science. 125 (13): 3061–3073. doi:10.1242 / jcs.093005. ISSN  0021-9533.
  11. ^ Ou, Guangshuo; Stuurman, Nico; D’Ambrosio, Michael; Vale, Ronald D. (2010-09-30). „Polarizovaný myosin produkuje dcery nerovné velikosti během asymetrického dělení buněk“. Věda. 330 (6004): 677–680. doi:10.1126 / science.1196112. ISSN  0036-8075.
  12. ^ Ingber, D. E. (říjen 1997). „TENSEGRITY: ARCHITEKTONICKÝ ZÁKLAD BUNĚČNÉ MECHANOTRANSDUKCE“. Roční přehled fyziologie. 59 (1): 575–599. doi:10,1146 / annurev.physiol.59.1.575. ISSN  0066-4278.
  13. ^ Niwa, Hitoshi; Toyooka, Yayoi; Shimosato, Daisuke; Strumpf, Dan; Takahashi, Kadue; Yagi, Rika; Rossant, Janet (prosinec 2005). „Interakce mezi 3. a 4. října a Cdx2 určuje diferenciaci Trophectoderm“. Buňka. 123 (5): 917–929. doi:10.1016 / j.cell.2005.08.040. ISSN  0092-8674.
  14. ^ Buganza Tepole, A; Ploch, CJ; Wong, J; Gosain, AK; Kuhl, E (2011). „Rostoucí kůže - výpočetní model pro expanzi kůže v rekonstrukční chirurgii“. J. Mech. Phys. Pevné látky. 59 (10): 2177–2190. doi:10.1016 / j.jmps.2011.05.004. PMC  3212404. PMID  22081726.
  15. ^ Ingber, DE (2003). "Mechanobiologie a nemoci mechanotransdukce". Annals of Medicine. 35 (8): 564–77. doi:10.1080/07853890310016333. PMID  14708967.
  16. ^ Ingber, DE (1997). "Tensegrity: architektonický základ buněčné mechanotransdukce". Annu. Physiol. 59: 575–599. doi:10,1146 / annurev.physiol. 59.1.575. PMID  9074778.
  17. ^ Ingber, DE (2006). "Buněčná mechanotransdukce: opětovné sestavení všech částí". FASEB J.. 20 (7): 811–827. doi:10.1096 / fj.05-5424rev. PMID  16675838.