Механобиология - Mechanobiology

Механобиология это новая 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, физиология, и болезнь. Существуют механические силы, которые можно интерпретировать как биологические реакции в клетках. Движение суставов, сжимающие нагрузки на хрящ и кость во время упражнений, и сдвигающее давление на кровеносный сосуд во время кровообращения - все это примеры механических сил в тканях человека.[1] Основная проблема в этой области - понимание механотрансдукция - молекулярные механизмы, с помощью которых клетки воспринимают механические сигналы и реагируют на них. В то время как медицина обычно занимается поиском генетической и биохимической основы болезни, достижения в области механобиологии предполагают, что изменения в механике клеток, внеклеточный матрикс структура или механотрансдукция могут способствовать развитию многих заболеваний, в том числе атеросклероз, фиброз, астма, остеопороз, сердечная 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.[2]

Чувствительные к нагрузке ячейки

Фибробласты

Кожа фибробласты жизненно важны для развития и заживления ран, и на них влияют механические сигналы, такие как растяжение, сжатие и сдвиг. Фибробласты синтезируют структурные белки, некоторые из которых являются механочувствительными и составляют неотъемлемую часть внеклеточный матрикс (ECM) e. грамм коллаген типы I, III, IV, V VI, эластин, ламин и др. Помимо структурных белков фибробласты производят Фактор некроза опухоли - альфа (TNF-α), Преобразование-фактор роста-бета (TGF-β) и матричные металлопротеазы это играет роль в поддержании и ремоделировании тканей.[3]

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.[4] 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.[5] Во время разработки механическая среда соединения определяет поверхность и топологию соединения.[6] У взрослых для поддержания хряща требуется умеренная механическая нагрузка; иммобилизация сустава приводит к потере протеогликанов и атрофии хряща, а чрезмерная механическая нагрузка приводит к дегенерации сустава[7]

Ядерная механобиология

В ядро также реагирует на механические сигналы, которые передаются из внеклеточного матрикса через цитоскелет с помощью линкера нуклеоскелета и цитоскелета. (LINC) -ассоциированные белки, такие как KASH и SUN.[8] Примеры эффекта механических реакций в ядре включают:

  • Гиперосмотическая проблема приводит к конденсации и транслокации хромосом, а также к активации Атаксия, телеангиэктазия и Rad3-связанные (ATR) в периферическую область ядра, в то время как механическое растяжение из-за гипоосмотической нагрузки и сжатия повторно локализует и активирует cPLA2 к ядерной мембране.
  • Высокая ядерная напряженность на Ламин А препятствует доступу киназ, тем самым подавляя их деградацию и т. д.[9]

Механобиология эмбриогенеза

Эмбрион формируется путем самосборки, посредством которой клетки дифференцируются в ткани, выполняющие специализированные 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.[10]

При делении удобренных ооцит, агрегация клеток и увеличение плотности между клетками с помощью актомиозин-зависимых сил тяги цитоскелета и их приложения к адгезивной ткани. рецепторы в соседних ячейках, что приводит к образованию твердых шариков, называемых Морула.[11] Позиционирование веретена внутри симметрично и асимметрично делящихся клеток у ранних эмбрионов контролируется механическими силами, опосредованными микротрубочками и системой актиновых микрофиламентов.[12] Локальные вариации физических сил и механических сигналов, таких как жесткость ECM, также контролируют экспрессию генов, которые вызывают процесс эмбрионального развития взрыв. Потеря жесткости с контролем фактор транскрипции Cdx приводит к эктопической экспрессии маркеров внутренней клеточной массы в трофэктодерме и плюрипотентного фактора транскрипции, Октябрь-4 могут выражаться отрицательно, вызывая переключение клонов. Это переключение клеточной судьбы регулируется механочувствительной путь бегемота[13]

Приложения

Эффективность многих механических методов лечения, уже используемых в клинической практике, показывает, насколько важны физические силы в физиологическом контроле. Несколько примеров иллюстрируют это. Легочный сурфактант способствует развитию легких у недоношенных детей; изменение дыхательных объемов аппаратов ИВЛ снижает заболеваемость и смертность пациентов с острым повреждением легких. Расширяемый стенты физически предотвратить сужение коронарной артерии. Экспандеры тканей увеличить площадь кожи, доступную для реконструктивной хирургии.[14] Устройства для хирургического натяжения используются для заживления переломов костей, ортодонтии, косметического увеличения груди и закрытия незаживающих ран.[нужна цитата ]

Понимание механических основ регуляции тканей может также привести к разработке улучшенных медицинских устройств, биоматериалы, и инженерные ткани для восстановления и реконструкции тканей.[15]

Список известных факторов, способствующих клеточной механотрансдукции, постоянно растет и включает активируемые растяжением ионные каналы, кавеолы, интегрины, кадгерины, рецепторы факторов роста, миозиновые двигатели, цитоскелет нити, ядра, внеклеточный матрикс и множество других сигнальных молекул. Эндогенный Создаваемые клетками тяговые силы также вносят значительный вклад в эти реакции, модулируя предварительное напряжение в клетках, тканях и органах, которое регулирует их механическую стабильность, а также передачу механических сигналов от макромасштаба к наномасштабу.[16][17]

Рекомендации

  1. ^ Wang, J.H.-C .; Thampatty, B.P (март 2006 г.). «Вводный обзор клеточной механобиологии». Биомеханика и моделирование в механобиологии. 5 (1): 1–16. Дои:10.1007 / s10237-005-0012-z. ISSN  1617-7959. PMID  16489478.
  2. ^ Смит, Теодор Х. «Подростковый идиопатический сколиоз: механобиология дифференциального роста». ДЖОР ПОЗВОНОЧНИКА. н / д (н / д): e1115. Дои:10.1002 / jsp2.1115. ISSN  2572-1143.
  3. ^ Трейси, Лорен Э .; Minasian, Raquel A .; Катерсон, Э.Дж. (Март 2016 г.). «Внеклеточный матрикс и функция дермальных фибробластов в заживающей ране». Достижения в лечении ран. 5 (3): 119–136. Дои:10.1089 / рана.2014.0561. ISSN  2162-1918. ЧВК  4779293. PMID  26989578.
  4. ^ Корхонен, Р.К .; Лаасанен, M.S; Töyräs, J; Риппо, Дж; Hirvonen, J; Helminen, H.J; Джурвелин, Дж.С. (июль 2002 г.). «Сравнение равновесной реакции суставного хряща при неограниченном сжатии, ограниченном сжатии и вдавливании». Журнал биомеханики. 35 (7): 903–909. Дои:10.1016 / с0021-9290 (02) 00052-0. ISSN  0021-9290.
  5. ^ Атешян, Г.А .; Warden, W.H .; Kim, J.J .; Grelsamer, R.P .; Моу, В. (Ноябрь 1997 г.). «Свойства конечной деформации двухфазного материала бычьего суставного хряща в экспериментах с ограниченным сжатием». Журнал биомеханики. 30 (11–12): 1157–1164. Дои:10.1016 / с0021-9290 (97) 85606-0. ISSN  0021-9290.
  6. ^ Вонг, М; Картер, Д. Р. (июль 2003 г.). «Функциональная гистоморфология и механобиология суставного хряща: перспективы исследования». Кость. 33 (1): 1–13. Дои:10.1016 / s8756-3282 (03) 00083-8. ISSN  8756-3282.
  7. ^ Хаапала, Юсси; Arokoski, Jari P.A .; Hyttinen, Mika M .; Ламми, Микко; Тамми, Маркку; Кованен, Вуокко; Helminen, Heikki J .; Кивиранта, Илкка (май 1999 г.). «Ремобилизация не полностью восстанавливает вызванную иммобилизацией атрофию суставного хряща». Клиническая ортопедия и смежные исследования. 362: 218???229. Дои:10.1097/00003086-199905000-00031. ISSN  0009-921X.
  8. ^ Страуд, Мэтью Дж. (Август 2018 г.). «Линкер белков комплекса нуклеоскелета и цитоскелета при кардиомиопатии». Биофизические обзоры. 10 (4): 1033–1051. Дои:10.1007 / s12551-018-0431-6. ISSN  1867-2450. ЧВК  6082319. PMID  29869195.
  9. ^ Ся, Юньтао; Pfeifer, Charlotte R .; Чо, Сангюн; Discher, Dennis E .; Ирианто, Джером (21.12.2018). дель Рио Эрнандес, Армандо (ред.). «Ядерная механочувствительность». Новые темы наук о жизни. 2 (5): 713–725. Дои:10.1042 / ETLS20180051. ISSN  2397-8554. ЧВК  6830732. PMID  31693005.
  10. ^ Маммото, Акико; Маммото, Таданори; Ингбер, Дональд Э. (2012-07-01). «Механочувствительные механизмы регуляции транскрипции». Журнал клеточной науки. 125 (13): 3061–3073. Дои:10.1242 / jcs.093005. ISSN  0021-9533.
  11. ^ Оу, Гуаншо; Стурман, Нико; Д’Амброзио, Майкл; Вейл, Рональд Д. (30 сентября 2010 г.). «Поляризованный миозин производит дочерей разного размера во время асимметричного деления клеток». Наука. 330 (6004): 677–680. Дои:10.1126 / science.1196112. ISSN  0036-8075.
  12. ^ Ингбер, Д. Э. (октябрь 1997 г.). «НАПРЯЖЕННОСТЬ: АРХИТЕКТУРНАЯ ОСНОВА КЛЕТОЧНОГО МЕХАНОПРЕДВИЖЕНИЯ». Ежегодный обзор физиологии. 59 (1): 575–599. Дои:10.1146 / annurev.physiol.59.1.575. ISSN  0066-4278.
  13. ^ Нива, Хитоши; Тоёка, Яёи; Симосато, Дайсуке; Штрампф, Дэн; Такахаши, Кадуэ; Яги, Рика; Россант, Джанет (декабрь 2005 г.). «Взаимодействие между Oct3 / 4 и Cdx2 определяет дифференцировку трофэктодермы». Клетка. 123 (5): 917–929. Дои:10.1016 / j.cell.2005.08.040. ISSN  0092-8674.
  14. ^ Буганза Теполе, А; Плох, CJ; Вонг, Дж; Госаин А.К .; Kuhl, E (2011). «Рост кожи - вычислительная модель расширения кожи в реконструктивной хирургии». J. Mech. Phys. Твердые тела. 59 (10): 2177–2190. Дои:10.1016 / j.jmps.2011.05.004. ЧВК  3212404. PMID  22081726.
  15. ^ Ingber, DE (2003). «Механобиология и болезни механотрансдукции». Анналы медицины. 35 (8): 564–77. Дои:10.1080/07853890310016333. PMID  14708967.
  16. ^ Ingber, DE (1997). «Тенсегрити: архитектурная основа клеточной механотрансдукции». Анну. Преподобный Physiol. 59: 575–599. Дои:10.1146 / annurev.physiol.59.1.575. PMID  9074778.
  17. ^ Ingber, DE (2006). «Клеточная механотрансдукция: снова собираем все вместе». FASEB J. 20 (7): 811–827. Дои:10.1096 / fj.05-5424rev. PMID  16675838.