Mekanobiologi
Mekanobiologi är ett framväxande vetenskapsområde i gränssnittet mellan biologi, teknik, kemi och fysik. Den fokuserar på hur fysiska krafter och förändringar i de mekaniska egenskaperna hos celler och vävnader bidrar till utveckling, celldifferentiering, fysiologi och sjukdom. Mekaniska krafter upplevs och kan tolkas för att ge biologiska svar i celler. Ledernas rörelser, tryckbelastningar på brosk och ben under träning och skjuvtryck på blodkärlet under blodcirkulationen är alla exempel på mekaniska krafter i mänsklig vävnad. En stor utmaning inom området är att förstå mekanotransduktion - de molekylära mekanismerna genom vilka celler känner av och svarar på mekaniska signaler. Medan medicin vanligtvis har letat efter den genetiska och biokemiska grunden för sjukdomar, tyder framsteg inom mekanobiologi på att förändringar i cellmekanik, extracellulär matrisstruktur eller mekanotransduktion kan bidra till utvecklingen av många sjukdomar, inklusive åderförkalkning , fibros , astma , osteoporos , hjärtsvikt. och cancer . Det finns också en stark mekanisk grund för många generaliserade medicinska funktionsnedsättningar, såsom ländryggssmärta, fot- och postural skada, deformitet och irritabel tarm .
Ladda känsliga celler
Fibroblaster
Hudfibroblaster är avgörande för utveckling och sårreparation och de påverkas av mekaniska signaler som spänning, kompression och skjuvtryck . Fibroblaster syntetiserar strukturella proteiner, av vilka några är mekanokänsliga och utgör en integrerad del av den extracellulära matrisen (ECM), t.ex. g kollagen typ I, III, IV, V VI, elastin , lamin etc. Förutom de strukturella proteinerna gör fibroblaster Tumör-Nekros-Faktor - alfa (TNF-α), Transformerande-Tillväxt-Faktor-beta (TGF-β ) och matrismetalloproteaser som spelar i vävnad vid vävnadsunderhåll och remodellering.
Kondrocyter
Ledbrosk är den bindväv som skyddar ben i bärande leder som knä, axel genom att tillhandahålla en smord yta. Den deformeras som svar på tryckbelastning, vilket minskar stressen på benen. Denna mekaniska känslighet hos ledbrosk beror på dess bifasiska natur; den innehåller både den fasta och flytande fasen. Vätskefasen består av vatten – som bidrar med 80 % av våtvikten – och oorganiska joner t.ex. g Natriumjon, Kalciumjon och Kaliumjon. Den fasta fasen består av porös ECM. Proteoglykanerna och interstitialvätskorna samverkar för att ge brosket tryckkraft genom negativa elektrostatiska repulsiva krafter. Jonkoncentrationsskillnaden mellan den extracellulära och intracellulära jonsammansättningen av kondrocyter resulterar i hydrostatiskt tryck. Under utvecklingen bestämmer den mekaniska omgivningen av fogen fogens yta och topologi. Hos vuxna krävs måttlig mekanisk belastning för att bibehålla brosket; immobilisering av leden leder till förlust av proteoglykaner och brosketrofi medan överdriven mekanisk belastning resulterar i degenerering av leden.
Kärnmekanobiologi
Kärnan är också känslig för mekaniska signaler som vidarebefordras från den extracellulära matrisen genom cytoskelettet med hjälp av Linker of Nucleoskeleton och Cytoskeleton LINC-associerade proteiner som KASH och SUN . Exempel på effekter av mekaniska svar i kärnan innefattar:
- Hyperosmotisk utmaning resulterar i kromosomkondensation och translokation och aktivering av Ataxia Telangiectasia och Rad3-relaterade (ATR) till den nukleära perifera regionen medan mekanisk sträckning på grund av hypo-osmotisk utmaning och kompression återlokaliserar och aktiverar cPLA2 till kärnmembranet .
- Hög kärnspänning på Lamin A hindrar åtkomsten av kinaser, och undertrycker därmed dess nedbrytning etc.
Mekanobiologi för embryogenes
Embryot bildas genom självmontering genom vilken celler differentieras till vävnader som utför specialiserade funktioner. Man trodde tidigare att endast kemiska signaler ger signaler som styr rumsligt orienterade förändringar i celltillväxt, differentiering och ödesbyte som förmedlar morfogenetiska kontroller. Detta är baserat på förmågan hos kemiska signaler att inducera biokemiska svar som vävnadsmönster i avlägsna celler. Men det är nu känt att mekaniska krafter som genereras i celler och vävnader ger reglerande signaler.
Under delningen av den befruktade oocyten aggregerar cellerna och kompaktheten mellan cellerna ökar med hjälp av aktomyosinberoende cytoskeletala dragkrafter och deras applicering på adhesiva receptorer i närliggande celler, vilket leder till bildning av solida kulor som kallas Morula . Spindelns placering i symmetriskt och asymmetriskt delande celler i det tidiga embryot styrs av mekaniska krafter som medieras av mikrotubuli och aktinmikrofilamentsystem. Lokal variation i fysiska krafter och mekaniska signaler såsom styvhet i ECM styr också uttrycket av gener som ger upphov till den embryonala utvecklingsprocessen av blastulation . Förlusten av styvhetskontrollerad transkriptionsfaktor Cdx leder till ektopiskt uttryck av inre cellmassmarkörer i trophectoderm, och den pluripotenta transkriptionsfaktorn, Oct-4, kan uttryckas negativt, vilket inducerar linjebyte. Detta cellödebyte regleras av den mekanokänsliga flodhästbanan
Ansökningar
Effektiviteten av många av de mekaniska terapierna som redan är i klinisk användning visar hur viktiga fysiska krafter kan vara i fysiologisk kontroll. Flera exempel illustrerar detta. Pulmonell tensid främjar lungutveckling hos för tidigt födda barn; modifiering av tidalvolymerna hos mekaniska ventilatorer minskar sjuklighet och dödsfall hos patienter med akut lungskada. Expanderbara stentar förhindrar fysiskt koronarartärkonstriktion. Vävnadsexpanderare ökar det tillgängliga hudområdet för rekonstruktiv kirurgi. Kirurgiska spänningsappliceringsanordningar används för benfrakturläkning, ortodonti, kosmetisk bröstexpansion och förslutning av icke-läkande sår. [ citat behövs ]
Insikter i den mekaniska grunden för vävnadsreglering kan också leda till utveckling av förbättrade medicinska apparater, biomaterial och konstruerade vävnader för vävnadsreparation och rekonstruktion.
Kända bidragsgivare till cellulär mekanotransduktion är en växande lista och inkluderar sträckaktiverade jonkanaler , kaveoler , integriner , cadheriner , tillväxtfaktorreceptorer, myosinmotorer, cytoskelettfilament , kärnor , extracellulär matris och många andra signalmolekyler. Endogena cellgenererade dragkrafter bidrar också avsevärt till dessa svar genom att modulera spänningsförspänning i celler, vävnader och organ som styr deras mekaniska stabilitet, såväl som mekanisk signalöverföring från makroskalan till nanoskalan.