Механобиология
Механобиология — новая область науки на стыке биологии, техники, химии и физики. Основное внимание уделяется тому, как физические силы и изменения механических свойств клеток и тканей способствуют развитию, дифференцировке клеток, физиологии и болезням. Механические силы испытываются и могут быть интерпретированы как вызывающие биологические реакции в клетках. Движение суставов, сжимающие нагрузки на хрящи и кости во время физических упражнений, а также сдвиговое давление на кровеносный сосуд во время кровообращения — все это примеры механических сил в тканях человека. [1] 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 генетическую и биохимическую основу заболеваний, достижения механобиологии позволяют предположить, что изменения в клеточной механике, 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 генерализованных медицинских нарушений, таких как боли в пояснице, травмы стоп и осанки, деформации и синдром раздраженного кишечника . [2]
Нагрузка чувствительных ячеек
[ редактировать ]Фибробласты
[ редактировать ]кожи Фибробласты жизненно важны для развития и заживления ран, и на них влияют механические сигналы, такие как растяжение, сжатие и давление 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 участвуют в поддержании и ремоделировании тканей. [3]
Хондроциты
[ редактировать ]Суставной хрящ — это соединительная ткань, которая защищает кости несущих суставов, таких как колено и плечо, обеспечивая смазанную поверхность. Он деформируется в ответ на сжимающую нагрузку, тем самым уменьшая нагрузку на кости. [4] Такая механическая реакция суставного хряща обусловлена его двухфазной природой; он содержит как твердую, так и жидкую фазы. Жидкая фаза состоит из воды, которая составляет 80% влажного веса, и неорганических ионов, например. g Ион натрия, ион кальция и ион калия. Твердая фаза состоит из пористого ЕСМ. Протеогликаны и интерстициальная жидкость взаимодействуют, создавая сжимающую силу хряща за счет отрицательных электростатических сил отталкивания. Разница в концентрации ионов между внеклеточным и внутриклеточным составом ионов хондроцитов приводит к образованию гидростатического давления. [5] Во время разработки механическая среда сустава определяет поверхность и топологию сустава. [6] У взрослых для поддержания хряща необходима умеренная механическая нагрузка; иммобилизация сустава приводит к потере протеогликанов и атрофии хряща, а чрезмерная механическая нагрузка приводит к дегенерации сустава. [7]
Ядерная механобиология
[ редактировать ]Ядро . также реагирует на механические сигналы, которые передаются из внеклеточного матрикса через цитоскелет с помощью линкера нуклеоскелета и цитоскелета, связанных с LINC белков, таких как KASH и SUN [8] Примеры влияния механических реакций в ядре включают:
- Гиперосмотическое воздействие приводит к конденсации хромосом, транслокации и активации атаксии , телеангиэктазии и Rad3-связанных (ATR) в периферической области ядра, в то время как механическое растяжение из-за гипоосмотического воздействия и сжатия повторно локализует и активирует cPLA2 на ядерной мембране.
- Высокое ядерное напряжение ламина А затрудняет доступ киназ, тем самым подавляя его деградацию и т. д. [9]
Механобиология эмбриогенеза
[ редактировать ]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 в росте клеток, дифференцировке и переключении судеб, которые опосредуют морфогенетический контроль. Это основано на способности химических сигналов вызывать биохимические реакции, такие как формирование рисунка ткани в отдаленных клетках. Однако теперь известно, что механические силы, генерируемые внутри клеток и тканей, обеспечивают регуляторные сигналы. [10]
Во время деления оплодотворенного ооцита клетки агрегируются, и компактность между клетками увеличивается с помощью актомиозин-зависимых сил цитоскелета и приложения их к адгезивным рецепторам в соседних клетках, что приводит к образованию твердых шариков, называемых морулой . [11] Позиционирование веретена внутри симметрично и асимметрично делящихся клеток раннего эмбриона 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 приводят к процессу эмбрионального развития бластуляции . Потеря контролируемого жесткостью транскрипционного фактора Cdx приводит к эктопической экспрессии маркеров внутренней клеточной массы в трофэктодерме, а плюрипотентный транскрипционный фактор Oct-4 может экспрессироваться отрицательно, тем самым индуцируя переключение клонов. Это переключение судеб клеток регулируется механочувствительным путем гиппопотама. [13]
Приложения
[ редактировать ]Эффективность многих механических методов лечения, уже находящихся в клиническом использовании, показывает, насколько важными могут быть физические силы для физиологического контроля. Несколько примеров иллюстрируют это положение. Легочный сурфактант способствует развитию легких у недоношенных детей; изменение дыхательного объема аппаратов искусственной вентиляции легких снижает заболеваемость и смертность у пациентов с острым повреждением легких. Расширяющиеся стенты физически предотвращают сужение коронарной артерии. Тканевые расширители увеличивают площадь кожи, доступную для реконструктивной хирургии. [14] Устройства для приложения хирургического натяжения используются для заживления переломов костей, ортодонтии, косметического увеличения груди и закрытия незаживающих ран. [ нужна ссылка ]
Понимание механических основ тканевой регуляции может также привести к разработке улучшенных медицинских устройств, биоматериалов и инженерных тканей для восстановления и реконструкции тканей. [15]
Список известных участников клеточной механотрансдукции постоянно растет и включает активируемые растяжением ионные каналы , кавеолы , интегрины , кадгерины , рецепторы факторов роста, миозиновые моторы, цитоскелета филаменты , ядра , внеклеточный матрикс и множество других сигнальных молекул. Эндогенные силы растяжения, генерируемые клетками, также вносят значительный вклад в эти реакции, модулируя предварительное напряжение внутри клеток, тканей и органов, которое регулирует их механическую стабильность, а также передачу механических сигналов с макромасштаба на наномасштаб. [16] [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ван, JH-C.; Тампатти, BP (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 . ПМИД 16489478 . S2CID 5017641 .
- ^ Смит, Теодор Х. (2020). «Подростковый идиопатический сколиоз: механобиология дифференциального роста» . ДЖОР Позвоночник . 3 (4): е1115. дои : 10.1002/jsp2.1115 . ISSN 2572-1143 . ПМК 7770204 . ПМИД 33392452 . S2CID 225497216 .
- ^ Трейси, Лорен Э.; Минасян, Ракель А.; Катерсон, Э.Дж. (март 2016 г.). «Внеклеточный матрикс и функция дермальных фибробластов в заживающей ране» . Достижения в области ухода за ранами . 5 (3): 119–136. дои : 10.1089/wound.2014.0561 . ISSN 2162-1918 . ПМЦ 4779293 . ПМИД 26989578 .
- ^ Корхонен, Р.К.; Лаасанен, М.С.; Тойрас, Дж; Риппо, Дж; Хирвонен, Дж; Хельминен, Х.Ю.; Журвелин, 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/s0021-9290(02)00052-0 . ISSN 0021-9290 . ПМИД 12052392 .
- ^ Атешян, Джорджия; Уорден, Вашингтон; Ким, Джей-Джей; Грелсамер, Р.П.; Моу, ВК (ноябрь 1997 г.). «Свойства двухфазного материала конечной деформации бычьего суставного хряща по результатам экспериментов по ограниченному сжатию» . Журнал биомеханики . 30 (11–12): 1157–1164. дои : 10.1016/s0021-9290(97)85606-0 . ISSN 0021-9290 . ПМИД 9456384 .
- ^ Вонг, М; Картер, доктор медицинских наук (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 . ПМИД 12919695 .
- ^ Хаапала, Юсси; Арокоски, Яри П.А.; Хиттинен, Мика М.; Ламми, Микко; Тамми, Маркку; Кованен, Вуокко; Хельминен, Хейкки Дж.; Кивиранта, Илкка (май 1999 г.). «Ремобилизация не полностью восстанавливает атрофию суставного хряща, вызванную иммобилизацией» . Клиническая ортопедия и связанные с ней исследования . 362 : 218–229. дои : 10.1097/00003086-199905000-00031 . ISSN 0009-921X .
- ^ Страуд, Мэтью Дж; Банерджи, Индронеал; Виверс, Дженнифер; Чен, Цзюй (31 января 2014 г.). «Линкер белков нуклеоскелета и цитоскелета в структуре, функциях и заболеваниях сердца» . Исследование кровообращения . 114 (3): 538–548. дои : 10.1161/circresaha.114.301236 . ПМК 4006372 . ПМИД 24481844 .
- ^ Ся, Юньтао; Пфайфер, Шарлотта Р.; Чо, Санкюн; Дишер, Деннис Э.; Ирианто, Джером (21 декабря 2018 г.). дель Рио Эрнандес, Армандо (ред.). «Ядерное механозондирование» . Новые темы в науках о жизни . 2 (5): 713–725. дои : 10.1042/ETLS20180051 . ISSN 2397-8554 . ПМК 6830732 . ПМИД 31693005 .
- ^ Маммото, Акико; Маммото, Таданори; Ингбер, Дональд Э. (1 июля 2012 г.). «Механочувствительные механизмы регуляции транскрипции» . Журнал клеточной науки . 125 (13): 3061–3073. дои : 10.1242/jcs.093005 . ISSN 0021-9533 . ПМЦ 3434847 . ПМИД 22797927 .
- ^ Оу, Гуаншо; Стурман, Нико; Д'Амброзио, Майкл; Вейл, Рональд Д. (30 сентября 2010 г.). «Поляризованный миозин производит дочерние клетки разного размера во время асимметричного деления клеток» . Наука . 330 (6004): 677–680. Бибкод : 2010Sci...330..677O . дои : 10.1126/science.1196112 . ISSN 0036-8075 . ПМК 3032534 . ПМИД 20929735 .
- ^ Ингбер, DE (октябрь 1997 г.). «Тенсегрити: архитектурная основа клеточной механотрансдукции» . Ежегодный обзор физиологии . 59 (1): 575–599. doi : 10.1146/annurev.physhol.59.1.575 . ISSN 0066-4278 . ПМИД 9074778 .
- ^ Нива, Хитоши; Тойоока, Яёи; Симосато, Дайсуке; Стрампф, 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 . ПМИД 16325584 . S2CID 13242763 .
- ^ Буганза Теполе, А; Плох, CJ; Вонг, Дж; Госейн, АК; Куль, Э (2011). «Растущая кожа — вычислительная модель расширения кожи в реконструктивной хирургии» . Дж. Мех. Физ. Твердые тела . 59 (10): 2177–2190. Бибкод : 2011JMPSo..59.2177B . дои : 10.1016/j.jmps.2011.05.004 . ПМК 3212404 . ПМИД 22081726 .
- ^ Ингбер, DE (2003). «Механобиология и болезни механотрансдукции» . Анналы медицины . 35 (8): 564–77. дои : 10.1080/07853890310016333 . ПМИД 14708967 . S2CID 22753025 .
- ^ Ингбер, DE (1997). «Тенсегрити: архитектурная основа клеточной механотрансдукции». Анну. Преподобный физиол . 59 : 575–599. doi : 10.1146/annurev.physhol.59.1.575 . ПМИД 9074778 .
- ^ Ингбер, DE (2006). «Клеточная механотрансдукция: снова собрать все части воедино» . ФАСЕБ Дж . 20 (7): 811–827. doi : 10.1096/fj.05-5424rev . ПМИД 16675838 . S2CID 21267494 .