Воздействуют ли физические силы на клетки?
Понятно, что биохимические сигналы влияют на клетки, но недавно было признано, что физические силы также могут влиять на клетки. Сюда входит влияние силы, геометрии и эластичности матрикса на функцию клеток и тканей, морфологию и регенерацию, которые затем потенциально могут повлиять на физиологию и патологию.
Фото предоставлено Хуаном Гертнером / Shutterstock.com
Например, форма и физическая информация, предоставляемые внеклеточным матриксом, влияют на то, как клетка растет, дифференцируется и перемещается. Это важно понимать, поскольку изменения физических свойств внеклеточного матрикса связаны с такими заболеваниями, как рак и фиброз.
Механобиология — это изучение того, как эти физические силы воздействуют на клетки и ткани, а также того, как функции клеток контролируются этими физическими силами, влияющими на конформацию белка посредством механосенсорики. Эта область возникла, когда биофизика / биомеханика была применена к вопросам биологии.
Как физические силы влияют на клетки и ткани?
На форму и подвижность клеток влияет способ их организации, а на то, как организованы клетки, могут влиять физические силы. Это, в свою очередь, влияет на функцию ткани или органа.
Например, конформационные изменения влияют на межбелковые взаимодействия, которые, в свою очередь, контролируют транскрипцию генов, или белки, которые перемещают клетки, способствуют клеточной адгезии или транспорту ионов между клетками, определяют форму и функцию ткани.
Эти силы, по сути, помогают формировать то, как клетки взаимодействуют с внеклеточным матриксом и, таким образом, формировать ткань в целом, а в сочетании с биохимическими факторами микросреды это затем влияет на такие факторы, как дифференцировка тканей. В результате этого возможно, что механобиология также играет роль в прогрессировании рака и в том, как он дает метастазы.
Более конкретно, дифференцировка мезенхимальных стволовых клеток зависит от эластичности ткани, которую они должны формировать; т. е. Было показано, что более мягкие внеклеточные субстраты способствуют дифференцировке в нейроны, более жесткие внеклеточные субстраты способствуют дифференцировке в мышечные клетки, в то время как жесткие внеклеточные субстраты, как было показано, способствуют дифференцировке в костные клетки.
Как работает механосенсорика?
Как упоминалось выше, механосенсорика является важным аспектом механобиологии. Итак, как это работает?
Интегрины являются важными белками из-за их функции соединения цитоскелета с внеклеточным матриксом. Это соединение происходит в кластерах, называемых “фокальными адгезиями”. Интегрины — это трансмембранные белки, состоящие из двух субъединиц, α и β. К настоящему времени было обнаружено 18 α-субъединиц и 8 β-субъединиц, и они образуют 24 различных гетеродимера. Большинство этих интегринов распознают множество белков-мишеней, которые имеют общий мотив, таких как RGD и LDV.
Разные интегрины имеют разное “время жизни”, пока сохраняется их связь с внеклеточным матриксом; некоторые, такие как aIIbβ3, имеют короткое время жизни при возрастающей нагрузке, в то время как другие, такие как α5β1, демонстрируют обратное. Известно, что последний, α5β1, обладает поведением “захват-связь”, теоретически было показано, что он действует как автономный механосенсор, и это обычное поведение в ответ на молекулы адгезии.
Цитоскелет
Цитоскелет представляет собой сеть белковых нитей, которые обеспечивают поддержку клеткам и, таким образом, позволяют тканям сохранять свою структуру. Цитоскелет также придает тканям прочность, гарантируя, что внешнее давление не повредит ткани. Однако он также позволяет тканям изменять форму. В тканях млекопитающих цитоскелет сформирован из трех различных белков; актина, микротрубочек и промежуточных нитей, которые все являются полугибкими; считается, что актины и промежуточные нити обеспечивают жесткость, в то время как микротрубочки, как полагают, обеспечивают защиту от сжатия.
Было показано, что актиновый компонент создает тяговые усилия, но недавние исследования показали, что между компонентами цитоскелета существует перекрестное взаимодействие, которое позволяет ему ощущать физические свойства тканевого микроокружения.
Внеклеточный матрикс
Внеклеточный матрикс представляет собой сеть белков, к которым прикрепляются клетки. Он также обеспечивает поддержку тканей, а также является резервуаром факторов роста, цитокинов и протеолитических ферментов. Внеклеточный матрикс можно разделить на базальную мембрану и соединительную ткань.
Базальная мембрана представляет собой двумерную структуру, состоящую из таких белков, как ламинин коллаген IV, нидоген и гепарансульфат протеогликаны. Это то, что позволяет прикрепляться поляризованным клеткам, таким как эпителиальные клетки и эндотелиальные клетки.
Соединительная ткань, с другой стороны, трехмерна и в основном состоит из фибриллярных коллагенов, протеогликанов и гликозаминогликанов. То, как организованы эти компоненты, зависит от ткани; например, эти фибриллы имеют толщину в тканях, требующих прочности на растяжение, таких как сухожилия.
Исследования показали, что клетки, культивируемые поверх 2D внеклеточного матрикса, реагируют на свойства матрикса и что поведение клеток, такое как адгезия, распространение, миграция и даже экспрессия генов и межклеточные взаимодействия, моделируется внеклеточным матриксом. Однако неясно, осуществляется ли распознавание посредством приложения постоянного напряжения или путем определения степени возникающей деформации.
