기계생물학

Mechanobiology

기계생물학은 생물학, 공학, 화학, 물리학의 접점에서 떠오르는 과학 분야다. 세포와 조직의 기계적 성질의 물리적 힘과 변화가 발달, 세포 분화, 생리, 질병에 어떻게 기여하는지에 초점을 맞춘다. 기계적 힘은 경험되고 세포에서 생물학적 반응을 일으키는 것으로 해석될 수 있다. 관절의 움직임, 운동 중 연골과 뼈에 가해지는 압축 하중, 혈액순환 중 혈관에 가해지는 전단 압력은 모두 인체 조직 내 기계적 힘의 예다.[1] 이 분야의 주요 과제는 세포가 기계적 신호를 감지하고 반응하는 분자 메커니즘인 기계전도를 이해하는 것이다. 의학이 전형적으로 질병의 유전적, 생화학적 근거를 찾았지만, 기계생물학의 발전은 세포역학, 세포외 매트릭스 구조, 또는 기계전도의 변화가 무신경화증, 섬유증, 천식, 골다공증, 심부전, 암을 포함한 많은 질병의 발전에 기여할 수 있음을 시사한다. 또한 하부 요통, 발과 자세 부상, 기형, 과민성 장 증후군 등 많은 일반화된 의료 장애에 대한 기계적 기반도 튼튼하다.[2]

민감 셀 로드

피브로블라스

피부 섬유는 발육과 상처 수리에 매우 중요하며 장력, 압박, 전단 압력과 같은 기계적 단서에 의해 영향을 받는다. 섬유블라스트는 구조 단백질을 합성하는데, 그 중 일부는 기계적으로 민감하고 세포외 매트릭스(ECM)의 일부분을 형성한다(g 콜라겐 타입 I, III, IV, VVI, 엘라스틴, 라민 등). 피브로블라스트는 구조 단백질 외에도 Tomor-Necrosis-Factor-alpha(TNF-α), Transformation-Growth-Factor-beta(TGF-β), 조직 유지 및 리모델링 시 조직에서 활동하는 매트릭스 메탈로테아제 등을 만든다.[3]

콘드로시테스

관절연골은 윤활면을 제공하여 무릎, 어깨 등 하중을 견디는 관절의 뼈를 보호하는 결합조직이다. 압축하중에 반응하여 변형되어 뼈에 대한 스트레스를 감소시킨다.[4] 이 관절연골의 기계적 반응성은 그것의 비파하학적 성질 때문이다; 그것은 고체와 유체 단계를 모두 포함하고 있다. 유체 상은 물 - 습중량의 80%를 기여하는 -와 무기 이온 e. g 나트륨 이온, 칼슘 이온 및 칼륨 이온으로 구성된다. 고체 위상은 다공성 ECM으로 구성된다. 프로테오글리칸과 중간액이 상호 작용하여 음의 정전기억제력을 통해 연골에 압축력을 준다. 연골세포의 세포외 이온 구성과 세포내 이온 구성 사이의 이온 농도 차이는 정수압을 유발한다.[5] 개발 중 접합부의 기계적 환경은 접합부의 표면과 위상을 결정한다.[6] 성인의 경우 연골을 유지하기 위해 중간 정도의 기계적 하중이 필요하다. 관절의 고정은 단백질 분해와 연골 위축을 초래하는 반면 과도한 기계적 하중은 관절의 퇴화를 초래한다.[7]

핵기계생물학

핵은 또한 KASH나 SUN과 같은 뉴클레오스켈레톤과 사이토스켈레톤(LINC) 관련 단백질의 도움으로 세포외 매트릭스에서 세포핵을 통해 전달되는 기계적 신호에도 반응한다.[8] 핵에서 기계적 반응의 효과의 예는 다음을 포함한다.

  • 하이퍼모티컬 챌린지는 염체 응축과 변환, 아탁시아 텔랑게락타시아 및 Rad3 관련(ATR)의 핵 주변부 활성화로 이어지는 반면, 저자극 챌린지와 압축에 의한 기계적 스트레칭은 다시 국소화하여 핵 막에 대한 CPLA2를 활성화시킨다.
  • 라민A의 높은 핵긴장은 키나아스의 접근을 방해하여 키나아스의 분해 등을 억제한다.[9]

발생생물의 기계생물학

배아는 세포가 특수한 기능을 수행하는 조직으로 분화하는 자가 조립에 의해 형성된다. 이전에는 화학적 신호만이 세포 성장, 분화 및 운명 전환에서 공간 지향적 변화를 제어하는 단서(condues)를 부여하여 형태생성적 제어를 조정하는 것으로 생각되었다. 이는 먼 세포에서 조직을 패터링하는 것과 같은 생화학적 반응을 유도하는 화학 신호의 능력에 기초한다. 그러나 지금은 세포와 조직 내에서 발생하는 기계적 힘이 규제 신호를 제공하는 것으로 알려져 있다.[10]

수정 난모세포의 분열을 하는 동안 액토모신 의존성 세포골격 견인력과 인접 세포의 접착 수용기에 대한 응용에 의해 세포 골재와 세포 사이의 응집력이 증가하여 모룰라라고 하는 고체 공의 형성으로 이어진다.[11] 초기 배아에서 대칭적으로 그리고 비대칭적으로 분할된 세포 내의 스핀들 위치는 미세관 및 액틴 마이크로필라멘트 시스템에 의해 매개되는 기계적 힘에 의해 제어된다.[12] ECM의 강성과 같은 물리적 힘과 기계적 단서의 국소적 변화 또한 배아 발달 과정을 일으키는 유전자의 발현을 조절한다. 강직성 제어 전사인자 Cdx의 상실은 대류에서 내부 세포질량 표지의 외경적 발현으로 이어지고, 전지전능 전사인자 10월 4일은 음성으로 표현되어 혈통 전환을 유도할 수 있다. 이 세포 운명의 전환은 기계적으로 민감한 하마 통로에[13] 의해 조절된다.

적용들

이미 임상 용도로 사용되고 있는 많은 기계 치료법의 효과성은 물리적인 힘이 생리학적 통제에 얼마나 중요한지를 보여준다. 몇 가지 예가 이 점을 예증한다. 폐계면활성제는 미숙아에서 폐 발달을 촉진시킨다; 기계식 인공호흡기의 조석량을 조절하면 급성 폐손상 환자의 병증과 사망을 감소시킨다. 확장 가능한 스텐트는 관상동맥의 수축 현상을 물리적으로 예방한다. 조직 확장기는 재건 수술에 이용 가능한 피부 영역을 증가시킨다.[14] 수술 장력 적용 기기는 골절 치료, 교정, 미용 유방 확장 및 비치료 상처의 폐쇄에 사용된다.[citation needed]

조직 규제의 기계적 기반에 대한 통찰은 조직 수리 및 재구성을 위한 의료기기, 생체 재료 및 엔지니어링된 조직의 개발로 이어질 수 있다.[15]

셀룰러 기계전도의 원인이 되는 것으로 알려진 것은 증가하는 목록이며, 스트레치 활성 이온 채널, 동굴개, 통합체, 캐더린, 성장 인자 수용체, 미오신 모터, 세포골격 필라멘트, 핵, 세포외 매트릭스 및 기타 수많은 신호 분자를 포함한다. 또한 내생 세포 생성 견인력은 기계적 안정성을 좌우하는 세포, 조직 및 기관 내의 텐션 프리스트레스와 매크로 스케일에서 나노스케일로의 기계적 신호 전달을 조절함으로써 이러한 반응에 크게 기여한다.[16][17]

참조

  1. ^ Wang, J. H.-C.; Thampatty, B. P. (March 2006). "An introductory review of cell mechanobiology". Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 5 (1): 1–16. doi:10.1007/s10237-005-0012-z. ISSN 1617-7959. PMID 16489478. S2CID 5017641.
  2. ^ Smit, Theodoor H. (2020). "Adolescent idiopathic scoliosis: The mechanobiology of differential growth". JOR Spine. 3 (4): e1115. doi:10.1002/jsp2.1115. ISSN 2572-1143. PMC 7770204. PMID 33392452. S2CID 225497216.
  3. ^ Tracy, Lauren E.; Minasian, Raquel A.; Caterson, E.J. (March 2016). "Extracellular Matrix and Dermal Fibroblast Function in the Healing Wound". Advances in Wound Care. 5 (3): 119–136. doi:10.1089/wound.2014.0561. ISSN 2162-1918. PMC 4779293. PMID 26989578.
  4. ^ Korhonen, R.K; Laasanen, M.S; Töyräs, J; Rieppo, J; Hirvonen, J; Helminen, H.J; Jurvelin, J.S (July 2002). "Comparison of the equilibrium response of articular cartilage in unconfined compression, confined compression and indentation". Journal of Biomechanics. 35 (7): 903–909. doi:10.1016/s0021-9290(02)00052-0. ISSN 0021-9290. PMID 12052392.
  5. ^ Ateshian, G.A.; Warden, W.H.; Kim, J.J.; Grelsamer, R.P.; Mow, V.C. (November 1997). "Finite deformation biphasic material properties of bovine articular cartilage from confined compression experiments". Journal of Biomechanics. 30 (11–12): 1157–1164. doi:10.1016/s0021-9290(97)85606-0. ISSN 0021-9290. PMID 9456384.
  6. ^ Wong, M; Carter, D.R (July 2003). "Articular cartilage functional histomorphology and mechanobiology: a research perspective". Bone. 33 (1): 1–13. doi:10.1016/s8756-3282(03)00083-8. ISSN 8756-3282. PMID 12919695.
  7. ^ Haapala, Jussi; Arokoski, Jari P.A.; Hyttinen, Mika M.; Lammi, Mikko; Tammi, Markku; Kovanen, Vuokko; Helminen, Heikki J.; Kiviranta, Ilkka (May 1999). "Remobilization Does Not Fully Restore Immobilization Induced Articular Cartilage Atrophy". Clinical Orthopaedics and Related Research. 362: 218–229. doi:10.1097/00003086-199905000-00031. ISSN 0009-921X.
  8. ^ Stroud, Matthew J. (August 2018). "Linker of nucleoskeleton and cytoskeleton complex proteins in cardiomyopathy". Biophysical Reviews. 10 (4): 1033–1051. doi:10.1007/s12551-018-0431-6. ISSN 1867-2450. PMC 6082319. PMID 29869195.
  9. ^ Xia, Yuntao; Pfeifer, Charlotte R.; Cho, Sangkyun; Discher, Dennis E.; Irianto, Jerome (2018-12-21). del Río Hernández, Armando (ed.). "Nuclear mechanosensing". Emerging Topics in Life Sciences. 2 (5): 713–725. doi:10.1042/ETLS20180051. ISSN 2397-8554. PMC 6830732. PMID 31693005.
  10. ^ Mammoto, Akiko; Mammoto, Tadanori; Ingber, Donald E. (2012-07-01). "Mechanosensitive mechanisms in transcriptional regulation". Journal of Cell Science. 125 (13): 3061–3073. doi:10.1242/jcs.093005. ISSN 0021-9533. PMC 3434847. PMID 22797927.
  11. ^ Ou, Guangshuo; Stuurman, Nico; D’Ambrosio, Michael; Vale, Ronald D. (2010-09-30). "Polarized Myosin Produces Unequal-Size Daughters During Asymmetric Cell Division". Science. 330 (6004): 677–680. Bibcode:2010Sci...330..677O. doi:10.1126/science.1196112. ISSN 0036-8075. PMC 3032534. PMID 20929735.
  12. ^ Ingber, D. E. (October 1997). "Tensegrity: The Architectural Basis of Cellular Mechanotransduction". Annual Review of Physiology. 59 (1): 575–599. doi:10.1146/annurev.physiol.59.1.575. ISSN 0066-4278. PMID 9074778.
  13. ^ Niwa, Hitoshi; Toyooka, Yayoi; Shimosato, Daisuke; Strumpf, Dan; Takahashi, Kadue; Yagi, Rika; Rossant, Janet (December 2005). "Interaction between Oct3/4 and Cdx2 Determines Trophectoderm Differentiation". Cell. 123 (5): 917–929. doi:10.1016/j.cell.2005.08.040. ISSN 0092-8674. PMID 16325584. S2CID 13242763.
  14. ^ Buganza Tepole, A; Ploch, CJ; Wong, J; Gosain, AK; Kuhl, E (2011). "Growing skin - A computational model for skin expansion in reconstructive surgery". J. Mech. Phys. Solids. 59 (10): 2177–2190. Bibcode:2011JMPSo..59.2177B. doi:10.1016/j.jmps.2011.05.004. PMC 3212404. PMID 22081726.
  15. ^ Ingber, DE (2003). "Mechanobiology and diseases of mechanotransduction". Annals of Medicine. 35 (8): 564–77. doi:10.1080/07853890310016333. PMID 14708967. S2CID 22753025.
  16. ^ Ingber, DE (1997). "Tensegrity: the architectural basis of cellular mechanotransduction". Annu. Rev. Physiol. 59: 575–599. doi:10.1146/annurev.physiol.59.1.575. PMID 9074778.
  17. ^ Ingber, DE (2006). "Cellular mechanotransduction: putting all the pieces together again". FASEB J. 20 (7): 811–827. doi:10.1096/fj.05-5424rev. PMID 16675838. S2CID 21267494.