La mecanobiología es un campo de la ciencia emergente en la interfaz de la biología, la ingeniería y la física. Se centra en cómo las fuerzas físicas y los cambios en las propiedades mecánicas de las células y los tejidos contribuyen al desarrollo, la diferenciación celular, la fisiología y la enfermedad. Se experimentan fuerzas mecánicas y se puede interpretar que dan respuestas biológicas en las células. El movimiento de las articulaciones, las cargas de compresión en el cartílago y el hueso durante el ejercicio y la presión de corte en los vasos sanguíneos durante la circulación sanguínea son ejemplos de fuerzas mecánicas en los tejidos humanos. [1] Un desafío importante en el campo es comprender la mecanotransducción.—Los mecanismos moleculares por los cuales las células detectan y responden a señales mecánicas. Si bien la medicina generalmente ha buscado la base genética y bioquímica de la enfermedad, los avances en la mecanobiología sugieren que los cambios en la mecánica celular, la estructura de la matriz extracelular o la mecanotransducción pueden contribuir al desarrollo de muchas enfermedades, como aterosclerosis , fibrosis , asma , osteoporosis e insuficiencia cardíaca. y cáncer . También existe una fuerte base mecánica para muchas discapacidades médicas generalizadas, como dolor lumbar, lesiones en los pies y posturales, deformidad y síndrome del intestino irritable . [2]
Cargar celdas sensibles
Fibroblastos
Los fibroblastos de la piel son vitales en el desarrollo y la reparación de heridas y se ven afectados por señales mecánicas como la tensión, la compresión y la presión de cizallamiento. Los fibroblastos sintetizan proteínas estructurales, algunas de las cuales son mecanosensibles y forman parte integral de la matriz extracelular (MEC) e. g colágeno de tipos I, III, IV, V VI, elastina , lamina, etc. Además de las proteínas estructurales, los fibroblastos producen factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α), factor de crecimiento transformante-beta (TGF-β ) y metaloproteasas de matriz que intervienen en el tejido en el mantenimiento y remodelación de los tejidos. [3]
Condrocitos
El cartílago articular es el tejido conectivo que protege los huesos de las articulaciones que soportan carga como la rodilla y el hombro al proporcionar una superficie lubricada. Se deforma en respuesta a la carga de compresión, lo que reduce la tensión en los huesos. [4] Esta capacidad de respuesta mecánica del cartílago articular se debe a su naturaleza bifásica; contiene tanto la fase sólida como la fluida. La fase fluida está formada por agua -que aporta el 80% del peso húmedo- e iones inorgánicos e. g Ion de sodio, Ion de calcio e Ion de potasio. La fase sólida está formada por ECM poroso. Los proteoglicanos y los fluidos intersticiales interactúan para dar fuerza de compresión al cartílago a través de fuerzas repulsivas electrostáticas negativas. La diferencia de concentración de iones entre la composición de iones extracelular e intracelular de los condrocitos da como resultado presión hidrostática. [5] Durante el desarrollo, el entorno mecánico de la articulación determina la superficie y la topología de la articulación. [6] En el adulto, se requiere una carga mecánica moderada para mantener el cartílago; la inmovilización de la articulación conduce a la pérdida de proteoglicanos y la atrofia del cartílago, mientras que el exceso de carga mecánica da como resultado la degeneración de la articulación. [7]
Mecanobiología nuclear
El núcleo también responde a las señales mecánicas que se transmiten desde la matriz extracelular a través del citoesqueleto con la ayuda de proteínas asociadas al enlazador de nucleoesqueleto y citoesqueleto (LINC) como KASH y SUN. [8] Ejemplos del efecto de las respuestas mecánicas en el núcleo incluyen:
- El desafío hiperosmótico da como resultado la condensación cromosómica y la translocación y activación de la ataxia telangiectasia y relacionada con Rad3 (ATR) a la región periférica nuclear, mientras que el estiramiento mecánico debido al desafío hipoosmótico y la compresión re-localiza y activa cPLA2 en la membrana nuclear.
- La alta tensión nuclear en el Lamin A dificulta el acceso de quinasas, suprimiendo así su degradación, etc. [9]
Mecanobiología de la embriogénesis
El embrión se forma por autoensamblaje a través del cual las células se diferencian en tejidos que realizan funciones especializadas. Anteriormente se creía que solo las señales químicas dan señales que controlan los cambios orientados espacialmente en el crecimiento celular, la diferenciación y el cambio de destino que median los controles morfogenéticos. Esto se basa en la capacidad de las señales químicas para inducir respuestas bioquímicas como patrones de tejido en células distantes. Sin embargo, ahora se sabe que las fuerzas mecánicas generadas dentro de las células y los tejidos proporcionan señales reguladoras. [10]
Durante la división del ovocito fertilizado , las células se agregan y la compactación entre las células aumenta con la ayuda de las fuerzas de tracción citoesqueléticas dependientes de actomiosina y su aplicación a los receptores adhesivos en las células vecinas, lo que conduce a la formación de bolas sólidas llamadas mórula . [11] El posicionamiento del huso dentro de las células que se dividen simétricamente y asimétricamente en el embrión temprano está controlado por fuerzas mecánicas mediadas por los microtúbulos y el sistema de microfilamentos de actina. [12] La variación local en las fuerzas físicas y las señales mecánicas, como la rigidez de la ECM, también controlan la expresión de genes que dan lugar al proceso de desarrollo embrionario de blastulación . La pérdida del factor de transcripción Cdx de rigidez controlada conduce a la expresión ectópica de marcadores de masa celular interna en el trofectodermo, y el factor de transcripción pluripotente, Oct-4, puede expresarse negativamente, induciendo así el cambio de linaje. Este cambio de destino celular está regulado por la vía del hipopótamo mecanosensible [13]
Aplicaciones
La eficacia de muchas de las terapias mecánicas que ya se utilizan en la clínica muestra la importancia que pueden tener las fuerzas físicas en el control fisiológico. Varios ejemplos ilustran este punto. El surfactante pulmonar promueve el desarrollo pulmonar en bebés prematuros; la modificación de los volúmenes corrientes de los ventiladores mecánicos reduce la morbilidad y la muerte en pacientes con lesión pulmonar aguda. Los stents expandibles previenen físicamente la constricción de las arterias coronarias. Los expansores de tejido aumentan el área de piel disponible para la cirugía reconstructiva. [14] Los dispositivos de aplicación de tensión quirúrgica se utilizan para la cicatrización de fracturas óseas, la ortodoncia, la expansión cosmética de los senos y el cierre de heridas que no cicatrizan. [ cita requerida ]
La comprensión de la base mecánica de la regulación de tejidos también puede conducir al desarrollo de dispositivos médicos mejorados, biomateriales y tejidos diseñados para la reparación y reconstrucción de tejidos. [15]
Los contribuyentes conocidos a la mecanotransducción celular son una lista creciente e incluyen canales iónicos activados por estiramiento , caveolas , integrinas , cadherinas , receptores de factores de crecimiento, motores de miosina, filamentos citoesqueléticos , núcleos , matriz extracelular y muchas otras moléculas de señalización. Las fuerzas de tracción endógenas generadas por las células también contribuyen significativamente a estas respuestas al modular el pretensado tensional dentro de las células, tejidos y órganos que gobiernan su estabilidad mecánica, así como la transmisión de señales mecánicas desde la macroescala a la nanoescala. [16] [17]
Referencias
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