Механобиология

Механобиология — это новая область науки на стыке биологии, инженерии, химии и физики. Она фокусируется на том, как физические силы и изменения механических свойств клеток и тканей способствуют развитию, клеточной дифференциации, физиологии и болезням. Механические силы ощущаются и могут быть интерпретированы как дающие биологические реакции в клетках. Движение суставов, компрессионные нагрузки на хрящи и кости во время упражнений и сдвиговое давление на кровеносные сосуды 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 искала генетическую и биохимическую основу заболеваний, достижения в механобиологии предполагают, что изменения в механике клеток, структуре внеклеточного матрикса или механотрансдукции могут способствовать развитию многих заболеваний, включая атеросклероз , фиброз , астму , остеопороз , сердечную недостаточность и рак . Также существует сильная механическая основа для многих общих медицинских нарушений, таких как боль в пояснице, травмы стоп и осанки, деформации и синдром раздраженного кишечника . [2]

Чувствительные к нагрузке ячейки

Фибробласты

Фибробласты кожи жизненно важны для развития и заживления ран, и на них влияют механические сигналы, такие как напряжение, сжатие и сдвиговое давление. Фибробласты синтезируют структурные белки, некоторые из которых являются механочувствительными и образуют неотъемлемую часть внеклеточного матрикса (ECM), например, коллагены типов I, III, IV, V VI, эластин , ламин и т. д. В дополнение к структурным белкам фибробласты вырабатывают фактор некроза опухоли - альфа (TNF-α), фактор трансформирующего роста - бета (TGF-β) и матричные металлопротеазы , которые играют в тканях роль в поддержании и ремоделировании тканей. [3]

Хондроциты

Суставной хрящ — это соединительная ткань, которая защищает кости несущих нагрузку суставов, таких как колено, плечо, обеспечивая смазанную поверхность. Он деформируется в ответ на сжимающую нагрузку, тем самым снижая нагрузку на кости. [4] Эта 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, ионов натрия, ионов кальция и ионов калия. Твердая фаза состоит из пористого ВКМ. Протеогликаны и интерстициальные жидкости взаимодействуют, придавая хрящу сжимающую силу посредством отрицательных электростатических сил отталкивания. Разница концентрации ионов между внеклеточным и внутриклеточным ионным составом хондроцитов приводит к гидростатическому давлению. [5] Во время развития механическая среда сустава определяет поверхность и топологию сустава. [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

Ядро также реагирует на механические сигналы, которые передаются из внеклеточного матрикса через цитоскелет с помощью линкера нуклеоскелета и цитоскелетных LINC-ассоциированных белков, таких как KASH и SUN. [ 8] Примеры эффекта механических реакций в ядре включают:

  • Гиперосмотическая нагрузка приводит к конденсации хромосом, транслокации и активации атаксии-телеангиэктазии и Rad3-связанного (ATR) в периферической области ядра, в то время как механическое растяжение из-за гипоосмотической нагрузки и сжатия повторно локализует и активирует cPLA2 в ядерной мембране.
  • Высокое ядерное напряжение на ламине А затрудняет доступ киназ, тем самым подавляя его 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 в росте клеток, дифференциации и переключении судьбы, которые опосредуют морфогенетический контроль. Это основано на способности химических сигналов вызывать биохимические реакции, такие как тканевое паттернирование в отдаленных клетках. Однако теперь известно, что механические силы, генерируемые внутри клеток и тканей, обеспечивают регуляторные сигналы. [10]

Во время деления оплодотворенного ооцита клетки агрегируют, и компактность между клетками увеличивается с помощью актомиозин-зависимых сил цитоскелета и их приложения к адгезивным рецепторам в соседних клетках, что приводит к образованию твердых шариков, называемых морулами . [11] Позиционирование веретена внутри симметрично и асимметрично делящихся клеток в раннем эмбрионе контролируется механическими силами, опосредованными микротрубочками и системой актиновых микрофиламентов . [12] Локальные изменения физических сил и механических сигналов, таких как жесткость ВКМ, также контролируют экспрессию генов, которые дают начало эмбриональному процессу развития бластуляции . Потеря жесткости контролируемого фактора транскрипции Cdx приводит к эктопической экспрессии внутренних маркеров клеточной массы в трофэктодерме, а плюрипотентный фактор транскрипции Oct-4 может быть отрицательно экспрессирован, тем самым вызывая переключение линий. Это переключение судьбы клеток регулируется механочувствительным путем гиппопотама [13]

Приложения

Эффективность многих механических методов лечения, уже используемых в клинической практике, показывает, насколько важны физические силы в физиологическом контроле. Несколько примеров иллюстрируют этот момент. Легочный сурфактант способствует развитию легких у недоношенных детей; изменение дыхательных объемов аппаратов искусственной вентиляции легких снижает заболеваемость и смертность у пациентов с острым повреждением легких. Расширяемые стенты физически предотвращают сужение коронарных артерий. Расширители тканей увеличивают площадь кожи, доступную для реконструктивной хирургии. [14] Устройства для приложения хирургического натяжения используются для заживления переломов костей, ортодонтии, косметического расширения груди и закрытия незаживающих ран. [ необходима ссылка ]

Понимание механической основы регуляции тканей может также привести к разработке усовершенствованных медицинских устройств, биоматериалов и сконструированных тканей для восстановления и реконструкции тканей. [15]

Список известных факторов, способствующих клеточной механотрансдукции, постоянно растет и включает в себя активируемые растяжением ионные каналы , кавеолы , интегрины , кадгерины , рецепторы факторов роста, миозиновые моторы, цитоскелетные нити, ядра , внеклеточный матрикс и множество других сигнальных молекул. Силы тяги, генерируемые эндогенными клетками, также вносят значительный вклад в эти реакции, модулируя предварительное напряжение растяжения внутри клеток, тканей и органов, которые управляют их механической стабильностью, а также передачей механического сигнала от макромасштаба к наномасштабу. [16] [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Wang, JH-C.; Thampatty, BP (март 2006 г.). «Вводный обзор клеточной механобиологии». Биомеханика и моделирование в механобиологии . 5 (1): 1– 16. doi :10.1007/s10237-005-0012-z. ISSN  1617-7959. PMID  16489478. S2CID  5017641.
  2. ^ Смит, Теодор Х. (2020). «Подростковый идиопатический сколиоз: механобиология дифференциального роста». JOR Spine . 3 (4): e1115. doi : 10.1002/jsp2.1115 . ISSN  2572-1143. PMC 7770204. PMID 33392452.  S2CID 225497216  . 
  3. ^ Трейси, Лорен Э.; Минасян, Ракель А.; Катерсон, Э.Дж. (март 2016 г.). «Внеклеточный матрикс и функция дермальных фибробластов в заживающей ране». Advances in Wound Care . 5 (3): 119– 136. doi :10.1089/wound.2014.0561. ISSN  2162-1918. PMC 4779293. PMID 26989578  . 
  4. ^ Корхонен, РК; Лаасанен, М.С.; Тёйрас, Дж.; Риеппо, Дж.; Хирвонен, Дж.; Хельминен, Х.Й.; Юрвелин, Дж.С. (июль 2002 г.). «Сравнение равновесной реакции суставного хряща при неограниченном сжатии, ограниченном сжатии и вдавливании». Журнал биомеханики . 35 (7): 903– 909. doi :10.1016/s0021-9290(02)00052-0. ISSN  0021-9290. PMID  12052392.
  5. ^ Ateshian, GA; Warden, WH; Kim, JJ; Grelsamer, RP; Mow, VC (ноябрь 1997 г.). «Конечные деформационные двухфазные свойства материала бычьего суставного хряща из экспериментов по ограниченному сжатию». Журнал биомеханики . 30 ( 11– 12): 1157– 1164. doi : 10.1016/s0021-9290(97)85606-0 . ISSN  0021-9290. PMID  9456384.
  6. ^ Вонг, М.; Картер, Д. Р. (июль 2003 г.). «Функциональная гистоморфология и механобиология суставного хряща: исследовательская перспектива». Bone . 33 (1): 1– 13. doi :10.1016/s8756-3282(03)00083-8. ISSN  8756-3282. PMID  12919695.
  7. ^ 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 . doi : 10.1097/00003086-199905000-00031. ISSN  0009-921X.
  8. ^ Страуд, Мэтью Дж.; Банерджи, Индронеал; Виверс, Дженнифер; Чен, Джу (31 января 2014 г.). «Связующее звено белков нуклеоскелета и цитоскелета в структуре, функции и заболеваниях сердца». Исследования кровообращения . 114 (3): 538–548 . doi : 10.1161/circresaha.114.301236 . PMC 4006372. PMID  24481844 . 
  9. ^ 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 . doi : 10.1042/ETLS20180051. ISSN  2397-8554. ПМК 6830732 . ПМИД  31693005. 
  10. ^ Mammoto, Akiko; Mammoto, Tadanori; Ingber, Donald E. (2012-07-01). «Механочувствительные механизмы в регуляции транскрипции». Journal of Cell Science . 125 (13): 3061– 3073. doi :10.1242/jcs.093005. ISSN  0021-9533. PMC 3434847. PMID 22797927  . 
  11. ^ Оу, Гуаншо; Стуурман, Нико; Д'Амброзио, Майкл; Вейл, Рональд Д. (30.09.2010). «Поляризованный миозин производит дочерние клетки неравного размера во время асимметричного деления клеток». Science . 330 (6004): 677– 680. Bibcode :2010Sci...330..677O. doi :10.1126/science.1196112. ISSN  0036-8075. PMC 3032534 . PMID  20929735. 
  12. ^ Ingber, DE (октябрь 1997). «Тенсегрити: архитектурная основа клеточной механотрансдукции». Annual Review of Physiology . 59 (1): 575– 599. doi :10.1146/annurev.physiol.59.1.575. ISSN  0066-4278. PMID  9074778.
  13. ^ Нива, Хитоши; Тойоока, Яёи; Симосато, Дайсуке; Стрампф, Дэн; Такахаси, Кадуэ; Яги, Рика; Россант, Джанет (декабрь 2005 г.). «Взаимодействие между Oct3/4 и Cdx2 определяет дифференцировку трофэктодермы». Клетка . 123 (5): 917–929 . doi : 10.1016/j.cell.2005.08.040 . ISSN  0092-8674. PMID  16325584. S2CID  13242763.
  14. ^ Buganza Tepole, A; Ploch, CJ; Wong, J; Gosain, AK; Kuhl, E (2011). «Растущая кожа — вычислительная модель для расширения кожи в реконструктивной хирургии». J. Mech. Phys. Solids . 59 (10): 2177– 2190. Bibcode : 2011JMPSo..59.2177B. doi : 10.1016/j.jmps.2011.05.004. PMC 3212404. PMID  22081726 . 
  15. ^ Ингбер, Д. Э. (2003). «Механобиология и заболевания механотрансдукции». Annals of Medicine . 35 (8): 564–77 . doi : 10.1080/07853890310016333 . PMID  14708967. S2CID  22753025.
  16. ^ Ингбер, Д.Э. (1997). «Тенсегрити: архитектурная основа клеточной механотрансдукции». Annu. Rev. Physiol . 59 : 575–599 . doi :10.1146/annurev.physiol.59.1.575. PMID  9074778.
  17. ^ Ингбер, Д. Э. (2006). «Клеточная механотрансдукция: снова собираем все части вместе». FASEB J. 20 ( 7): 811– 827. doi : 10.1096/fj.05-5424rev . PMID  16675838. S2CID  21267494.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Механобиология&oldid=1271780595"