Mechanobiologie: Erklärung und Anwendung

Die Mechanobiologie ist ein aufstrebendes Wissenschaftsgebiet an der Schnittstelle von Biologie, Ingenieurwissenschaften, Chemie und Physik. Sie konzentriert sich darauf, wie physikalische Kräfte und Änderungen der mechanischen Eigenschaften von Zellen und Geweben zu Entwicklung, Zelldifferenzierung, Physiologie und Krankheit beitragen. Mechanische Kräfte werden erfahren und können so interpretiert werden, dass sie biologische Reaktionen in Zellen hervorrufen.

Die Bewegung von Gelenken, Druckbelastungen auf Knorpel und Knochen während des Trainings und Scherdruck auf die Blutgefäße während der Blutzirkulation sind Beispiele für mechanische Kräfte im menschlichen Gewebe. Eine große Herausforderung auf diesem Gebiet ist das Verständnis der Mechanotransduktion– die molekularen Mechanismen, durch die Zellen mechanische Signale wahrnehmen und darauf reagieren.

Während die Medizin typischerweise nach der genetischen und biochemischen Grundlage von Krankheiten gesucht hat, deuten Fortschritte in der Mechanobiologie darauf hin, dass Veränderungen in der Zellmechanik, der Struktur der extrazellulären Matrix oder der Mechanotransduktion zur Entwicklung vieler Krankheiten beitragen können, darunter Arteriosklerose, Fibrose, Asthma, Osteoporose und Herzinsuffizienz und Krebs.

Es gibt auch eine starke mechanische Grundlage für viele allgemeine medizinische Behinderungen wie z.B. Schmerzen im unteren Rücken, Fuß- und Haltungsschäden, Deformitäten und Reizdarmsyndrom.

Empfindliche Zellen stimulieren

Fibroblasten

Hautfibroblasten sind für die Entwicklung und Wundheilung von entscheidender Bedeutung und werden durch mechanische Reize wie Spannung, Kompression und Scherdruck beeinflusst. Fibroblasten synthetisieren Strukturproteine, von denen einige mechanosensitiv sind und einen integralen Bestandteil der extrazellulären Matrix (ECM) bilden, z.B. Kollagentypen I, III, IV, V VI, Elastin, Lamin usw.

Neben den Strukturproteinen stellen Fibroblasten Tumor-Nekrose-Faktor-alpha (TNF-α), Transforming-Growth-Factor-beta (TGF-β) und Matrix-Metalloproteasen, die im Gewebe bei der Erhaltung und Remodellierung von Gewebe eine Rolle spielen.

Chondrozyten

Gelenkknorpel ist das Bindegewebe, das die Knochen von tragenden Gelenken wie Knie, Schulter schützt, indem es eine geschmierte Oberfläche bietet. Es verformt sich als Reaktion auf Druckbelastung und reduziert dadurch die Belastung der Knochen. Diese mechanische Reaktionsfähigkeit des Gelenkknorpels beruht auf seiner zweiphasigen Natur, es enthält sowohl die feste als auch die flüssige Phase. Die flüssige Phase besteht aus Wasser – das 80% des Nassgewichts ausmacht – und anorganischen Ionen, z.B. Natriumion, Calciumion und Kaliumion.

Die feste Phase besteht aus porösem ECM. Die Proteoglykane und interstitiellen Flüssigkeiten interagieren, um dem Knorpel durch negative elektrostatische Abstoßungskräfte eine Druckkraft zu verleihen. Der Ionenkonzentrationsunterschied zwischen der extrazellulären und der intrazellulären Ionenzusammensetzung von Chondrozyten führt zu einem hydrostatischen Druck.

Während der Entwicklung (vor allem in der Pubertät) bestimmt die mechanische Umgebung der Verbindung die Oberfläche und Topologie der Verbindung. Bei Erwachsenen ist eine mäßige mechanische Belastung erforderlich, um den Knorpel zu erhalten. Die Immobilisierung des Gelenks führt zum Verlust von Proteoglykanen und Knorpelatrophie, während eine übermäßige mechanische Belastung zu einer Degeneration des Gelenks führt.

Nukleare Mechanobiologie

Der Kern reagiert auch auf mechanische Signale, die von der extrazellulären Matrix durch das Zytoskelett mit Hilfe von Nucleoskeleton und Cytoskeleton -assoziierten Proteinen wie KASH und SUN weitergeleitet werden. Beispiele für die Wirkung mechanischer Reaktionen im Kern sind:

Eine hyperosmotische Herausforderung führt zu einer Chromosomenkondensation und Translokation und Aktivierung der Ataxia Teleangiektasie und Rad3-verwandten (ATR) in die periphere Kernregion, während eine mechanische Dehnung aufgrund einer hypoosmotischen Herausforderung und Kompression cPLA2 an der Kernmembran relokalisiert und aktiviert.

Eine hohe Kernspannung auf dem Lamin A behindert den Zugang von Kinasen, wodurch dessen Abbau unterdrückt wird usw.

Anwendungen von Mechanobiologie

Die Wirksamkeit vieler mechanischer Therapien, die bereits klinisch eingesetzt werden, zeigt wie wichtig physikalische Kräfte bei der physiologischen Kontrolle sein können. Mehrere Beispiele veranschaulichen diesen Punkt. Lungensurfactant fördert die Lungenentwicklung bei Frühgeborenen; Die Modifizierung der Tidalvolumina mechanischer Beatmungsgeräte reduziert Morbidität und Tod bei Patienten mit akuter Lungenschädigung.

Expandierbare Stents verhindern physisch eine Koronararterienverengung. Gewebeexpander vergrößern die Hautfläche, die für die rekonstruktive Chirurgie zur Verfügung steht. Chirurgische Spannungsanwendungsgeräte werden zur Heilung von Knochenbrüchen, in der Kieferorthopädie, zur kosmetischen Brustvergrößerung und zum Verschluss von nicht heilenden Wunden verwendet.

Einblicke in die mechanischen Grundlagen der Geweberegulierung können auch zur Entwicklung verbesserter medizinischer Geräte, Biomaterialien und künstlich hergestellter Gewebe für die Gewebereparatur und -rekonstruktion führen.

Bekannte Mitwirkende an der zellulären Mechanotransduktion sind eine wachsende Liste und umfassen dehnungsaktivierte Ionenkanäle, Caveolae, Integrine, Cadherine, Wachstumsfaktorrezeptoren, Myosinmotoren, Zytoskelettfilamente, Zellkerne, extrazelluläre Matrix und zahlreiche andere Signalmoleküle. Endogene zellerzeugte Traktionskräfte tragen ebenfalls wesentlich zu diesen Reaktionen bei, indem sie die Spannungsvorspannung in Zellen, Geweben und Organen modulieren, die ihre mechanische Stabilität bestimmen, sowie die mechanische Signalübertragung von der Makro- zur Nanoskala.