Mechanotransdukce - Mechanotransduction

Viz také: Mechanosenzace

Mechanotransdukce ( mechano + transdukce ) je jakýkoli z různých mechanismů , kterými buňky přeměňují mechanický podnět na elektrochemickou aktivitu. Tato forma senzorické transdukce je zodpovědná za řadu smyslů a fyziologických procesů v těle, včetně propriocepce , hmatu , rovnováhy a sluchu . Základní mechanismus mechanotransdukce zahrnuje převod mechanických signálů na elektrické nebo chemické signály .

Některé biologické stroje

V tomto procesu mechanicky ovládaný iontový kanál umožňuje zvuku, tlaku nebo pohybu způsobit změnu excitability specializovaných senzorických buněk a senzorických neuronů . Stimulace mechanoreceptoru způsobí, že se mechanicky citlivé iontové kanály otevřou a vytvoří transdukční proud, který změní membránový potenciál buňky. Mechanický podnět se obvykle filtruje v dopravním médiu, než se dostane na místo mechanotransdukce. Buněčné reakce na mechanotransdukci jsou variabilní a vedou k řadě změn a pocitů. Mezi širší problémy patří molekulární biomechanika .

Jednomolekulární biomechanické studie proteinů a DNA a mechanochemická vazba v molekulárních motorech prokázaly zásadní význam molekulární mechaniky jako nové hranice v bioinženýrství a vědách o životě. Proteinové domény, které jsou propojeny jiskrově neuspořádaných flexibilním linkerem domén, indukují dlouhého dosahu allosterie přes dynamiky protein domény . Výsledné dynamické režimy nelze obecně předpovědět ze statických struktur buď celého proteinu, nebo jednotlivých domén. Lze je však odvodit porovnáním různých struktur proteinu (jako v databázi molekulárních pohybů ). Lze je také navrhnout vzorkováním v rozsáhlých trajektoriích molekulární dynamiky a analýzou hlavních složek, nebo je lze přímo pozorovat pomocí spekter měřených neutronovou spinovou echo spektroskopií. Současná zjištění ukazují, že mechanotransdukční kanál ve vláskových buňkách je složitý biologický stroj . Mechanotransdukce také zahrnuje použití chemické energie k mechanické práci.

Ucho

Jeden takový mechanismus je otevření iontových kanálů v vláskových buněk v hlemýždi ve vnitřním uchu.

Změny tlaku vzduchu ve zvukovodu způsobují vibrace tympanické membrány a ossicles středního ucha. Pohyb ossikulárního řetězce na konci ossikulárního řetězce zase generuje tlakové pole v oválném okně hlemýždě a vytváří tlakové pole v kochleárních tekutinách, které přenáší tlakový rozdíl přes bazilární membránu . Sinusová tlaková vlna má za následek lokalizované vibrace Cortiho orgánu : v blízkosti základny pro vysoké frekvence, v blízkosti vrcholu pro nízké frekvence. Hlemýžď ​​tedy funguje jako „akustický hranol“, který rozděluje energii každé Fourierovy složky (které představují konkrétní frekvence) komplexního zvuku na různých místech podél její podélné osy. Vláskové buňky v hlemýždi jsou stimulovány, když je bazilární membrána poháněna nahoru a dolů rozdíly v tlaku tekutiny mezi scala vestibuli a scala tympani . Protože je tento pohyb doprovázen smykovým pohybem mezi tektoriální membránou a retikulární laminou Cortiho orgánu, svazky vlasů, které je spojují, jsou vychýleny, což iniciuje mechano-elektrickou transdukci. Když je bazilární membrána poháněna vzhůru, střih mezi vlasovými buňkami a tektoriální membránou vychyluje svazky vlasů v excitačním směru směrem k jejich vysokému okraji. Ve středu oscilace se svazky vlasů vrátí do klidové polohy. Když se bazilární membrána pohybuje dolů, svazky vlasů jsou poháněny inhibičním směrem.

Bazilární pohyb membrány způsobuje střihový pohyb mezi retikulární laminou a tektoriální membránou, čímž se aktivuje mechanosenzorický aparát svazku vlasů, který zase generuje receptorový potenciál ve vlasových buňkách.

Zvuková tlaková vlna je tedy převedena na elektrický signál, který lze ve vyšších částech sluchového systému zpracovat jako zvuk .

Kosterní sval

Když je na sval nanesena deformace, změny v buněčných a molekulárních konformacích spojují mechanické síly s biochemickými signály a těsná integrace mechanických signálů s elektrickou, metabolickou a hormonální signalizací může zamaskovat aspekt reakce, který je specifický pro mechanické síly.

Chrupavka

Mechanicky ovládaný kanál

Jednou z hlavních mechanických funkcí kloubních chrupavek je působit jako nosná plocha s nízkým třením. Díky svému jedinečnému umístění na kloubních plochách zažívá kloubní chrupavka řadu statických a dynamických sil, které zahrnují střih, stlačení a napětí. Tato mechanická zatížení jsou absorbována extracelulární matrix chrupavky (ECM), kde jsou následně rozptýlena a přenesena do chondrocytů (buněk chrupavky).

Chrupavka zažívá napětí, stlačení a smykové síly in vivo

Chondrocyty snímají a převádějí přijímané mechanické signály na biochemické signály, které následně řídí a zprostředkovávají jak anabolické (budování matrice), tak katabolické (matrice degradující) procesy. Tyto procesy zahrnují syntézu proteinů matrice ( kolagen typu II a proteoglykany ), proteáz , inhibitorů proteáz, transkripčních faktorů , cytokinů a růstových faktorů .

Rovnováha mezi anabolickými a katabolickými procesy je silně ovlivněna typem zatížení, které chrupavka zažívá. Vysoká rychlost deformace (ke které dochází při nárazovém zatížení) způsobuje poškození tkáně, degradaci, sníženou produkci matrice a apoptózu . Snížené mechanické zatížení po dlouhou dobu, například při prodlouženém odpočinku na lůžku, způsobuje ztrátu produkce matrice. Ukázalo se, že statické zatížení škodí biosyntéze, zatímco oscilační zatížení při nízkých frekvencích (podobné jako při běžné chůzi) bylo prokázáno, že je prospěšné při udržování zdraví a zvyšování syntézy matrice. Vzhledem ke složitosti podmínek načítání in vivo a souhře dalších mechanických a biochemických faktorů zůstává otázka, jaký může být optimální režim nakládání nebo zda existuje, nezodpovězena.

Ačkoli studie ukázaly, že jako většina biologických tkání je chrupavka schopná mechanotransdukce, přesné mechanismy, kterými se to děje, zůstávají neznámé. Existuje však několik hypotéz, které začínají identifikací mechanoreceptorů .

Aby mohly být mechanické signály snímány, je třeba, aby na povrchu chondrocytů byly mechanoreceptory. Kandidáty mechanoreceptorů chondrocytů zahrnují iontově kanály aktivované strečem (SAC), hyaluronanový receptor CD44 , anexin V (receptor kolagenu typu II) a integrinové receptory (kterých existuje několik typů na chondrocytech).

Povrchové mechano-receptory chondrocytů zahrnují CD44, anexin V a integriny. Mezi složky extracelulární matrix chondrocytů patří kolageny, proteoglykany (které se skládají z aggrecanu a hyaluronanu), fibronektin a COMP.

Pomocí příkladu mechanotransdukční cesty spojené s integrinem (což je jedna z lépe studovaných cest) bylo ukázáno, že zprostředkovává adhezi chondrocytů k povrchům chrupavky, zprostředkovává signalizaci přežití a reguluje produkci a degradaci matrice.

Integrinové receptory mají extracelulární doménu, která se váže na proteiny ECM (kolagen, fibronektin , laminin , vitronektin a osteopontin ), a cytoplazmatickou doménu, která interaguje s intracelulárními signálními molekulami. Když se integrinový receptor váže na svůj ligand ECM a je aktivován, další integriny se shlukují kolem aktivovaného místa. Kromě toho, kinázy (např, fokální adhezní kináza , FAK) a adaptorové proteiny (např paxillin , Pax, Talin , Tal a SHC ) jsou odváděny do této skupině, který se nazývá fokální adheze komplex (FAC). Aktivace těchto molekul FAC zase spouští události po proudu, které up-regulují a /nebo down-regulují intracelulární procesy, jako je aktivace transkripčního faktoru a regulace genu vedoucí k apoptóze nebo diferenciaci.

Kromě vazby na ECM ligandy jsou integriny také vnímavé k autokrinním a parakrinním signálům, jako jsou růstové faktory v rodině TGF-beta . Bylo ukázáno, že chondrocyty vylučují TGF-b a upregulují receptory TGF-b v reakci na mechanickou stimulaci; tato sekrece může být mechanismem pro autokrinní amplifikaci signálu v tkáni.

Integrinová signalizace je jen jedním příkladem více cest, které se aktivují při zatížení chrupavky. Některé intracelulární procesy, u nichž bylo pozorováno, že se vyskytují v těchto drahách, zahrnují fosforylaci ERK1/2, p38 MAPK a kinázy kinázy-1 (SEK-1) dráhy JNK a také změny hladin cAMP, reorganizaci aktinu a změny v expresi genů, které regulují obsah ECM chrupavky.

Novější studie vyslovily hypotézu, že primární cilium chondrocytů působí jako mechanoreceptor pro buňku a přenáší síly z extracelulární matrice do buňky. Každý chondrocyt má jedno cilium a předpokládá se, že přenáší mechanické signály ohýbáním v reakci na zatížení ECM. Integriny byly identifikovány na horním dříku cilium, které působí jako kotvy do kolagenové matrice kolem něj. Nedávné studie publikované Wann et al. v časopise FASEB Journal poprvé prokázali, že pro mechanotransdukci chondrocytů jsou nutné primární řasinky. Chondrocyty odvozené od myší s mutací IFT88 neexprimovaly primární řasinky a nevykazovaly charakteristickou mechanosenzitivní regulaci syntézy proteoglykanů pozorovanou v buňkách divokého typu

Je důležité prozkoumat mechanotransdukční dráhy v chondrocytech, protože podmínky mechanického zatížení, které představují nadměrnou nebo škodlivou reakci, regulují syntetickou aktivitu a zvyšují katabolické signální kaskády zahrnující mediátory, jako jsou NO a MMP. Studie Chowdhury TT a Agarwal S navíc ukázaly, že mechanické zatížení, které představuje fyziologické podmínky zatížení, zablokuje produkci katabolických mediátorů (iNOS, COX-2, NO, PGE2) indukovaných zánětlivými cytokiny (IL-1) a obnoví anabolické činnosti. Vylepšené porozumění souhře biomechaniky a buněčné signalizace pomůže vyvinout terapeutické metody pro blokování katabolických složek mechanotransdukční dráhy. K udržení zdraví a životaschopnosti chrupavky je proto nutné lepší porozumění optimálním hladinám mechanických sil in vivo, pro prevenci degradace a onemocnění chrupavky lze navrhnout preventivní techniky.

Reference

Další čtení

externí odkazy