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Che cosa è Mechanobiology?

Le celle sono influenzate con le forze fisiche?

È capito che i segnali biochimici pregiudichino le celle, ma recentemente è stato riconosciuto che le forze fisiche possono anche pregiudicare le celle. Ciò comprende gli effetti di forza, la geometria ed elasticità della matrice sulla cella e funzione del tessuto, la morfologia e rigenerazione, che poi ha il potenziale di pregiudicare la fisiologia e la patologia.

interazioni della proteinaCredito di immagine: Juan Gaertner/Shutterstock.com

Per esempio, la forma e le informazioni fisiche fornite dalle influenze extracellulari della matrice come la cella si sviluppa, si differenzia e si muove. Ciò è importante da capire, come i cambiamenti nelle proprietà fisiche della matrice extracellulare è stato implicato nelle malattie come cancro e fibrosi.

Mechanobiology è lo studio di come queste forze fisiche pregiudicano le celle ed i tessuti come pure di come la funzione delle cellule è gestita con queste forze fisiche che pregiudicano la conformazione della proteina mechanosensing. Questa area ha cominciato quando la biofisica/biomeccanica si è applicata alle domande nella biologia.

Come le forze fisiche influenzano le celle ed i tessuti?

La forma e la motilità delle celle sono influenzato a proposito essi sono organizzate e come le celle sono organizzate possono essere influenzate con le forze fisiche. Ciò, a sua volta, poi influenza la funzione del tessuto o dell'organo.

Per esempio, i cambiamenti conformazionali pregiudicano le interazioni della proteina-proteina, che a loro volta gestiscono la trascrizione del gene, o le proteine che muovono le celle, promuovono l'aderenza cellulare, o il trasporto degli ioni fra le celle, determinerebbe la forma e la funzione del tessuto.

Queste forze, infatti, contribuiscono a modellare come le celle interagiscono con la matrice extracellulare e così modellano il tessuto globale e congiuntamente ai fattori biochimici all'interno del microenvironment, questo poi influenza i fattori quale differenziazione del tessuto. Come conseguenza di questo, è possibile che il mechanobiology egualmente svolga un ruolo nella progressione di cancro e come si riproduce per metastasi.

Più specificamente, la differenziazione di cellule staminali mesenchymal dipende dall'elasticità del tessuto che è di formarsi; cioè, i substrati extracellulari più molli sono stati indicati per promuovere la differenziazione nei neuroni, substrati extracellulari più rigidi sono stati indicati per promuovere la differenziazione nelle celle di muscolo, mentre i substrati extracellulari rigidi sono stati indicati per promuovere si differenziano nelle celle di osso.

Come mechanosensing lavora?

Come detto precedentemente, mechanosensing è un aspetto importante del mechanobiology. Così, come fa questo lavoro?

Integrins

Integrins è proteine importanti dovuto la loro funzione di connettere il citoscheletro alla matrice extracellulare. Questa connessione si presenta nei cluster chiamati “aderenze focali„. Integrins è proteine del transmembrane fatte di due sottounità, α e β. Finora, 18 sottounità del α e 8 sottounità del β sono stati trovati e questi formano 24 heterodimers differenti. La maggior parte di questi integrins riconoscono le proteine bersaglio multiple che dividono un motivo comune, come RGD e LDV.

I integrins differenti hanno “vite„ differenti mentre la sua obbligazione con la matrice extracellulare dura; alcuni, quale αIIbβ3, hanno una breve vita nell'ambito del caricamento aumentante, mentre altri quale la manifestazione α5β1 l'opposto. L'ultimo, α5β1, è conosciuto per avere comportamento “dell'cattura-obbligazione„, teoricamente è stato indicato per fungere da mechanosensor autonomo e questo è un comportamento comune in risposta alle molecole di aderenza.

Citoscheletro

Il citoscheletro è una rete dei filamenti della proteina e questo dà il supporto alle celle e così che permette che i tessuti mantengano la sua struttura. Il citoscheletro egualmente dà le resistenze ai tessuti, assicurandosi che le pressioni esterne non danneggino il tessuto. Tuttavia, egualmente permette che i tessuti deformino. In tessuti di mammiferi, il citoscheletro è formato di tre proteine differenti; actina, microtubuli e filamenti intermedi, che sono tutti semi-flessibili; le actine ed i filamenti intermedi sono pensati per fornire la rigidezza, mentre i microtubuli sono pensati per fornire il supporto contro compressione.

La componente dell'actina è stata indicata per generare le forze della trazione, ma gli studi recenti hanno indicato che c'è un'interferenza fra le componenti del citoscheletro che permette che percepisca le proprietà fisiche del microenvironment del tessuto.

Matrice extracellulare

La matrice extracellulare è una rete delle proteine a cui le celle aderiscono. Ciò egualmente fornisce il supporto per i tessuti ed egualmente fornisce un bacino idrico dei fattori di crescita, delle citochine e degli enzimi proteolitici. La matrice extracellulare può essere divisa nella membrana basale e nel tessuto connettivo.

La membrana basale è una 2D struttura fatta delle proteine quali il collageno IV del laminin, il nidogen ed i proteoglicani del solfato di heparan. Ciò è che cosa permette che le celle polarizzate fissino, quali le celle epiteliali e le celle endoteliali.

Il tessuto connettivo, d'altra parte, è 3D e soprattutto fatto dei collagens, dei proteoglicani e dei glycosaminoglycans fibrillari. Come queste componenti sono organizzate dipende dal tessuto; per esempio, queste fibrille sono spesse in tessuti che richiedono la resistenza alla trazione, quali i tendini.

Gli studi hanno indicato che le celle che sono coltivate sopra una 2D matrice extracellulare rispondono ai beni della matrice e che il comportamento cellulare quale aderenza, spargersi, la migrazione e le interazioni della cella-cella e perfino di espressione genica sono modellati dalla matrice extracellulare. Tuttavia, è poco chiara se la percezione è con l'applicazione dello sforzo costante o percependo quanta deformazione accade.

Sorgenti

Lim, C.T e co. (2010) Mechanobiology. J.R. Soc. Interface https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2943884/

Jansen, K.A. e co. (2015) Una guida al mechanobiology: Dove la biologia e la fisica si incontrano. Acta di Biophysica et di Biochimica (BBA) - ricerca molecolare https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167488915001536 delle cellule

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Last Updated: Jan 6, 2020

Dr. Maho Yokoyama

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Dr. Maho Yokoyama

Dr. Maho Yokoyama is a researcher and science writer. She was awarded her Ph.D. from the University of Bath, UK, following a thesis in the field of Microbiology, where she applied functional genomics to Staphylococcus aureus . During her doctoral studies, Maho collaborated with other academics on several papers and even published some of her own work in peer-reviewed scientific journals. She also presented her work at academic conferences around the world.

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