Wie mechanische Kräfte Funktion in Zellen kodieren und zu Fibrose führen können

Die Zellen in menschlichen Körpern unterliegen sowohl chemischen als auch mechanischen Kräften. Bis vor kurzem haben Wissenschaftler nicht viel darüber verstanden, wie die mechanische Seite dieser Gleichung manipuliert werden kann. Das wird sich ändern.

„Dies ist ein großer Durchbruch in unserer Fähigkeit, die Zellen zu kontrollieren, die Fibrose vorantreiben“, sagte Guy Genin, Harold und Kathleen Fauly Professor für Maschinenbau an der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis, deren Forschung gerade war veröffentlicht In Naturmaterialien.

Fibrose ist ein Leiden, bei dem Zellen überschüssiges Fasergewebe produzieren. Fibroblastenzellen tun dies, um Wunden zu schließen, aber der Prozess kann an unerwünschten Stellen kaskaden. Beispiele sind Herzfibrose; Nieren- oder Leberfibrose, die dem Krebs vorausgeht; und Lungenfibrose, die zu schweren Narben- und Atemschwierigkeiten führen können. Jedes Weichteil im menschlichen Körper, sogar im Gehirn, hat das Potenzial, dass Zellen laut Genin eine Wundheilungskaskade durchlaufen, wenn sie nicht sollen.

Das Problem hat sowohl chemische als auch mechanische Wurzeln, aber mechanische Kräfte scheinen eine übergroße Rolle zu spielen. Washu -Forscher versuchten, die Kraft dieser mechanischen Kräfte zu nutzen, indem sie einen strategischen Zug anwenden und in die rechte Mischung aus Richtungen ziehen, um die Zelle zu sagen, dass sie ihren Webstuhl der überschüssigen Faser ausschalten soll.

In der neu veröffentlichten Forschung skizzieren Genin und Kollegen einige dieser Details, einschließlich der Eingriffe in Spannungsfelder zum richtigen Zeitpunkt, um zu kontrollieren, wie sich Zellen verhalten.

„Die Richtung der Spannung, die diese Zellen in Bezug auf ihren Aktivierungszustand sehr anwenden“, sagte Nathaniel Huebsch, Associate Professor für Biomedizinische Ingenieurwesen bei McKelvey Engineering und Co-Senior-Autor der Forschung, zusammen mit Genin und Vivek Shenoy an der Universität von Pennsylvania.

Die Kräfte

Der menschliche Körper ist ständig in Bewegung, daher sollte es keine Überraschung sein, dass Kraft die Funktion in Zellen codieren kann. Aber welche Kräfte, wie viel Kraft und in welche Richtung sind einige der Fragen, die das Zentrum für technische Mechanobiologie untersucht.

„Die Spannung beeinflusst das, was die Zelle tut“, sagte Huebsch. Aber die Spannung kann in viele verschiedene Richtungen gehen. „Die Entdeckung, die wir in diesem Papier präsentieren, ist, dass die Art und Weise, wie Stress in verschiedene Richtungen zieht, einen Unterschied zur Zelle macht“, fügte er hinzu.

Das Ziehen in mehreren Richtungen in uneingeschränkter Weise, die als Spannungs Anisotropie bezeichnet wird (vorstellen Sie sich ein Taffy -Zug), ist eine wichtige Kraft beim Start von Fibrose, fanden die Forscher fest.

„Wir zeigen, dass wir zum ersten Mal eine Struktur mit einem Gewebe verwenden, und verhindern, dass Zellzytoskelette einen Weg hinunter gehen, der Kontraktion und eventuelle Fibrose verursacht“, sagte Genin.

Huebsch, der pionierische mikroskopische Modelle und Gerüste zum Testen dieser Spannungsfelder, die auf Zellen wirken, erklärten, dass Tentakel-ähnliche Mikrotubuli durch auftauchende und in eine Richtung ausgrockene Ausstieg aufweist. Kollagen um die Zelle zieht diesen Tubulus zurück und wird damit ausgerichtet.

„Wir haben festgestellt, dass Sie diese ganze Organisation stören und die Fibrose möglicherweise stören würden, wenn Sie die Mikrotubuli stören könnten“, sagte Huebsch.

Und obwohl es in dieser Untersuchung darum ging, zu verstehen, was schief geht, um Fibrose zu verursachen, gibt es immer noch viel zu lernen, was mit Fibroblasten, unseren Bindegewebezellen, insbesondere im Herzen, richtig geht, fügte er hinzu.

„In Geweben, in denen Fibroblasten in der Regel gut ausgerichtet sind, hindert sie davon ab, in diesen Wundheilungszustand zu aktivieren?“ Fragte Huebsch.

Personalisierte Behandlungspläne

Genin und Huebsch finden neben der Suche nach Wegen, um Fibrose zu verhindern oder zu behandeln, nach Wegen, um dieses neue Wissen über die Bedeutung mechanischer Stress für die Behandlung von Verletzungen oder Verbrennungen anzuwenden. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die hohe Ausfallrate für Behandlungen älterer Patienten mit Verletzungen anzugehen, bei denen die Naht -Sehne zu Knochen oder Haut bis zur Haut wieder auftreten muss.

Beispielsweise gibt es bei Rotatorenmanschettenverletzungen überzeugende Beweise dafür, dass die Patienten mit dem Arm bewegen müssen, um die Funktion wiederherzustellen, aber ebenso überzeugende Beweise dafür, dass Patienten den Arm für eine bessere Genesung immobilisieren sollten. Die Antwort kann von der Menge an Kollagen abhängen, die ein Patient produziert, und die Stressfelder am Wiederherstellungsort.

Durch das Verständnis der Auswirkungen der multidirektionalen Stressfelder auf die Zellstruktur können Ärzte möglicherweise die Reparatur der spezifischen Patienten untersuchen und einen personalisierten Behandlungsplan bestimmen.

Zum Beispiel muss ein Patient mit einem biaxialen Stress aus zwei Richtungen am Ort der Verletzung möglicherweise mehr ausüben, um die Reparatur von Zellen auszulösen, sagte Genin. Bei einem anderen Patienten, der Anzeichen von uniaxialem Stress zeigt, bedeutet Stress jedoch nur eine Richtung. Jede Bewegung könnte Zellen überaktivieren, sodass der Patient die Verletzung immobilisiert. All das und mehr ist noch zu erarbeiten und zu bestätigen, aber Genin ist begeistert.

„Die nächste Generation von Krankheiten, die wir erobern werden, sind Mechanikkrankheiten“, sagte Genin.