התפקיד של biophysical Stimuli בקידום טופס ההילה Hyaline קרטלאז' במהנדסים Tissues

Hyaline cartilage הוא רקמה חלקה, זכוכית מכסה את הקצוות של עצמות במפרקים, מתן ניתוק ומאפשר תנועה כמעט ללא חיכוך. יכולת התיקון החדירה המוגבלת שלה עושה רקמה הנדסה גישה מבטיחה לשיקום קרחוס פגוע לאחר פציעה או או osteoarthritis. אחד מכריע של הצלחה בהתחדשות טראנס הוא היישום של גירויים ביופיזיים, אשר יכול להשפיע עמוק תאים (מפרקציה), ותפקודי) של ניאוטציה אחורית (mcreative)

במהלך שני העשורים האחרונים, החוקרים הוכיחו כי פשוט הצבת chondrocytes או תאי גזע mesenchymal (MSCs) בתוך פיגמומים ו מושתלים אותם לעתים קרובות מניב fibrocartilage ולא אמיתי hyaline cartilage. ההבדל הוא בקומפוזיציה מולקולרית וארגון של מאטריקס: hyaline cartilage הוא עשיר ב סוג IIage ו aggreage, בעוד הוא מכיל סוג של תאים טרמפגניים בעיקר.

מאמר זה חוקר את הקטגוריות העיקריות של גירויים ביופיזיים המשמשים הנדסת רקמות טרחוס, מנגנוני הפעולה שלהם, טכנולוגיות ביולוגיות נוכחיות, וכיוונים עתידיים לתרגום קליני.על ידי הבנת כיצד אותות מכניים, חשמליים ונוזלים-דריביים מעצבים התפתחות, מהנדסים ומרפאות יכולים לעצב טיפולים רגנרטיביים יעילים יותר.

הבנת טינימטום ביופיזיקה בביולוגיה של קרטליג

גירויים ביופיזיים מתייחסים לרמזים הפיזיים שהתאים חווים בסביבה מולדתם.ב-Creve articular cartilage, רמזים אלה כוללים כוחות דחוסים ועשרותileים מפני טעינה משותפת, מדגישים מתנועת נוזל סינפירית, ⁇ s לחץ הידרוסטטי, ושדות חשמליים אנדוגניים שנוצרו על ידי דיפרציה רקמות. צ'וציטים, התאים של cartilage, הם רגישים; הם מגיבים כל הזמן לסביבה מכנית שלהם.

בהנדסת רקמות, העתקת אותות פיזיולוגיים אלה היא קריטית.ללא גירוי ביופיזי מתאים, תאים עשויים להיות אדישים, לייצר ECM לא מספיק, או להפקיד מטריצה נחות מכנית.המטרה היא לספק סביבה פיזית מבוקרת שמקדמת chondrogenesis וייצור ממטריקס תוך מניעת היפרטרופיה או פיברוזיס לא רצוי.

מיקרון-סביבתי

קרטלאז הוא רקמת אנפירית, עם ECM צפופה שיוצר מיקרון פיזיוכימי ייחודי מגביל את זרימת הנוזל.ההאשמות השליליות הקבועות של פרוטוגליצרנים לייצר לחץ אוסמוטי גבוה, ואת חוסר יכולתה הנמוכה של הרקמות מגבילה את זרימת הנוזלים. במהלך טעינה משותפת, נוזל בין-יסודי הוא exteoglycans, יצירת גירויים קשיחים ופוטנציאל של זרימתם של חומרים אלה הם חיוניים עבור תפקודים פיזיים.

סוגים של biophysical Stimuli בCartilage Engineering

מטען מכני

טעינה מכנית היא גירוי ביופיזי הנרחב ביותר עבור הנדסת רקמות טרחוס. Articular cartilage חוויות עומסים מורכבים במהלך פעילויות יומיומיות, כולל דחיסה, מתח, ו Shear. Applied, טעינה מכנית ממריץ chondrocytes כדי לרסן גנים ספציפיים cartilage וסינתזה פונקציונלי ECM.

טעינה

דחיסה דינמי היא הגירוי המכאני הנפוץ ביותר ביולוגיים. מחקרים הראו כי דחיסה מחזורית בתדרים פיזיולוגיים (0.1-1 הרץ) וגודלים (5-20% זנים) משפרת את הסינתזה של סוג II קולגן ואגרקאן בצורות צ'ונדרוציטים-סדמדומים.המנגנון כולל אותות מכומים, מתוחים ומתפשטים על ידי צינורות עצביים, גם על ידי עומסים.

עם זאת, דחיסה סטטית מוגזמת יכולה להזיק, גרימת מוות תאים והשפלה ממטריקס. לכן, משטרי טעינה חייבים להיות מקיפים בקפידה לשלב של פיתוח בנייה. מבנים בשלבים מוקדמים עם נוקשות נמוכה עשויים לדרוש זנים נמוכים יותר, בעוד מבנים בוגרים יותר יכולים לסבול עומסים גבוהים יותר.

Tensile Loading

זנים Tensile פחות בולט ב cartilage Native אבל להיות חשוב בבניינים ממונדסים המכילים פיגומים סיבים תואמים. Tensile לטעון יכול אוient קולגן fibrils ולשפר את תכונות אזור פני השטח של הבניין. משולב דחיסה משולבת bioreactors מפותח כדי לשחזר את הסביבה המכנית של משותף יותר נאמן.

לחץ הידרוסטטי

טעינה משותפת מייצרת לחץ הידרוסטטי לסירוגין עד 10-20 MPa. החלת לחץ הידרוטיציטי מחזורי כדי chondrocytes בתרבות הוכח להגדיל ביטוי אגרגקני וסוג II קולגן תוך דיכוי סוג I הקולגן. לחץ הידרוסטטי הוא אטרקטיבי במיוחד כי זה יכול להיות מיושם ללא מגע ישיר, מה שהופך אותו קל יותר לשלב לתוך מערכות סטריליות.

Shear Stress and Fluid Flow

תנועה נוזלית סינברלית בחלל המשותף יוצרת מתחים על פני השטח האמנותי.בהנדסת רקמות, מתח Shear נוצר בדרך כלל על ידי זרימה נוזלית ביולוגיים. לסירוגין או זרימת נוזל או אווסציל יכול לשפר את חילוף החומרים התזונתיים והפסולת תוך מתן אות ביופיזי חזק.

מחקרים הוכיחו כי נוזל זרמי מתח מרומם מעלה את הסינתזה proteoglycan ומקדם את היישור של סיבי קולגן. הלחץ Shear גם מפעיל תחמוצת nitric (NO) אותות אותות, אשר ממלא תפקיד בchondrocyte homeosta. עם זאת, רמות Shear גבוהות יכולות להוביל לתופעות שליליות, כולל דלקת וגרם השפלה, ולכן, זרימה מתאימה לכל ארכיטקטורת maffold.

ביולוגיים של פרוויז משמשים בדרך כלל כדי ליישם זרימה נוזלית.מערכות אלה כוח בינוני דרך בניין ⁇ , הבטחת הפצה אחידה תאים תחבורה המונית. Perfusion בשילוב עם טעינה מכנית יוצרת סביבה רלוונטית יותר מבחינה פיזיולוגית, שכן חוויות הבנייה הן זרימת נוזל בין-תחומית ועיוות מוצק בו-זמנית.

חשמל Stimulation

תצוגות של שדות חשמליים אנדוגניים בשל פוטנציאל הזרמת שנוצר על ידי זרימה נוזלית על רכיבי ECM מואשם. גירוי חשמלי Exogenous נחקר ככלי לשיפור היווצרות של נגרמות ממונדסים. נמוך-intensity ישיר הנוכחי (DC) או שדות אלקטרומגנטיים מותקפים (PE) יכול להשפיע על התפשטות תאים, הבחנה, ו ECM סינתזה.

המנגנונים של גירוי חשמלי אינם מבינים לחלוטין, אך הם נחשבים למודולציה של ערוצי יון, במיוחד ערוצי סידן מפורחים. Calcium influx ולאחר מכן גורם לשקיות אותות במורד הזרם, כולל נתיב ERK/MAPK, אשר מסדיר ביטוי גנים עבור חלבונים ממטריקס. PEMF שימשה קלינית עבור שברים לא חדורי עצמות, ומחקרים קליניים מציעים כי זה יכול גם לקדם תיקון קלוש.

בהנדסת רקמות, גירוי חשמלי הוא לעתים קרובות מיושם באמצעות פיגומים התנהגותיים או אלקטרודות משובצים בתא הביולוגי. Parameters כגון כוח שדה, תדירות, מחזור חובה צריך להיות אופטימיזציה. לאחרונה העבודה הוכיח כי גירוי חשמלי הדופק ב 1-10 הרץ יכול להגדיל גליגליקוזן (GAG) תוכן ומדכאים דחוסים ב hydroschorlasdengels.

אולטרהסאונד ו- Acous Stimulation

אולטרסאונד נמוך-רגישות שנחקר עבור הנדסת רקמות טרחוס (LIPUS) הוא עוד גירוי ביופיזיקה לא פולשנית אשר נחקר עבור הנדסת רקמות טרחוס. גלי אולטרהסאונד לייצר כוחות קרינה אקוסטיים, קוויטציה ומיקרו-זרם, אשר יכול להפעיל מסלולי mechanotransductions. LIPUS הוכח כדי לרסן סוג של ggrecan ו-nage II בביטוי ndchorocytes, כמו גם מסלולי הגדל תאים.

היתרון של LIPUS הוא שניתן ליישם אותו באמצעות העור ללא השתלת אלקטרודה, מה שהופך אותו מועמד לטיפול שלאחר השתלה לא פולשנית.עם זאת, העוצמה והמשך אופטימליים עבור מבני נגרמה לא הוקמו, ועוד מחקר נדרש כדי לתקן פרוטוקולים.

מכניזם של פעולה: כיצד ביופיזי Stimuli Drive Chondrogenesis

גירויים ביופיזיים מפעילים ארקייד של אירועים אות תאיים המתאספים בתעתיק גנים וסינתזת חלבון.הבנת מנגנונים אלה חיונית לתכנון ביולוגי רציונלי ופיתוח אסטרטגיות רוקחולוגיות כדי להגדיל את ההשפעות של רמזים פיזיים.

המונחים: mechanotransduction Pathways

המ מכנינזירים העיקריים בchondrocytes כוללים אינסטיפרינים, את cilium הראשי, ערוצי ion מתוחים, ואת גליקוקליקס. Integrins המקשרים את ECM לתגובות הציטוקטון ו transduce כוחות מכניים באמצעות גליקוציית מיקוד (KFA) ו Src Family rcases, כגון אותות מיקרו-תאים מהירים כגון דחוסים, 000.

Downstream איתות מסלולים המופעלים על ידי טעינה מכנית כוללים את MAPK קשק (ERK, JNK, p38), מסלול PI3K / Akt, ואת מסלול ההיפופו באמצעות YAP /TAZ. מסלולים אלה לווסת את הביטוי של Sox9, את הגורם המתעתל של chondrogenesis, כמו גם את ההתנגשות ו- proogcanly גנים לדוגמה, 1x1, אשר מפעילה דחיסה כדי להגביר דחיסה.

קופסלינג אלקטרו-מיצ'ניק

פוטנציאל הזרמת אנדוגניים יוצרים שדות חשמליים שיכולים לשנות את התחבורה של יון והתנהגות תאים. גירוי חשמלי כנראה עקף חלק מדרישות הטעינה המכאניות הגדולות. Calcium-תלויות הם מרכזיים; עלייה בסידן תוך תאי המפעילה רגועה ורידסטריטים, אשר בתורם משפיעות על פעילות Sox9.

השפעות מטבוליות ומטבוליות

מחקרים אחרונים גילו כי גירויים ביופיזיים גם משנים את חילוף החומרים התאיים.טעינה מכנית גורמת ביוגנונזית מיטוכונדרית ומגדילו זרחן חמצון בchondrocytes, מתן ATP הדרוש עבור סינתזה ממטריקס. גירוי חשמלי יכול להשפיע על pH intracell ופוטנציאל membrane, המשפיע על phosive phosmotion וסוד אלה עשוי להיות שינויים מטבוליים.

Bioreactor Technologies ליישום ביופיזיקה Stimuli

ביולוגיים הם הכלים המרכזיים לאספקת גירויים ביופיזיים מבוקרים לבניינים ממוחשבים.הם נעים ממאכלים סטטיים פשוטים ועד מערכות רב-ממדיות מתוחכמות המסוגלות ליישם דחיסה, הרהר וגירוי חשמלי בו זמנית.

הנדסת מכונות

רוב ביולוגיים מכניים מבוססים על עיצוב דחיסה או עיצוב תאי לחץ.בביולוגי דחיסה, piston חלה עומסי אופניים או סטטיים על הבנייה.תאים לטעון לפקח על הכוח החל, וחיישנים נודדים לעקוב אחר עיוות. bioreactors לחץ הידרוסטטי בדרך כלל להשתמש תא חתום מחובר משאבה או פיסטון כדי לייצר מחזורים.

המונחים: bioreactors

ביולוגי פרווזיום מתפשט באמצעות המבנה באמצעות משאבה peristaltic. הם יכולים להיות מעוצבים עבור זרימת חד-צדדית או oscillatory. כמה מערכות היתוך משלב מאגר תואם כדי לדמות את האופי האימפולסיבי של זרימה משותפת. אתגר מפתח הוא הבטחת הפצה אחידה זרימה, הדורשת עיצוב זהיר של הגיאומטריה וזרימה.

סימול חשמל bioreactors

ביולוגיים מבוססי אלקטרודה משתמשים בפחמי פחמן, חוטי פלטינה, או פיגומים מוליכים כדי לספק שדות חשמליים.מבנה ממוקמים בין שני אלקטרודות במנה תרבות או תא. מערכות PEMF משתמשים סלילים של helmtz כדי ליצור שדות מגנטיים של זמן-varying אשר מעוררים שדות חשמליים ברקמות.

Multi-Modal Bioreactors

הביולוגיים המתקדמים ביותר משלבים גירויים מרובים.לדוגמה, ביולוגי דחיסה יכול ליישם טעינה מחזורית תוך כדי שימוש בינוני בו זמנית.כמה קבוצות מחקר שילבו אלקטרודות לתוך מחסניות כדי ליישם גירוי חשמלי במהלך טעינה מכנית. אלה מכשירים רב-ממדיים טוב יותר לחקות את הסביבה המשותפת המורכבת ו הראו השפעות סינרגיות על הצטברות ממטריקס.

אופטימיזציה של Stimulus Parameters

היעילות של גירויים ביופיזיים תלויה במידה רבה בפרמטרים הספציפיים המשמשים.לטעינה מכנית, המשתנים העיקריים הם גודל (אימון או מתח), תדירות, מחזור חובה (תקופות מנוחה בין התקפי טעינה), ומשך זמן. עבור גירוי חשמלי, גלפור (DC, הדופק, סינוסאל), amplitude (מתח או צפיפות נוכחית), תדירות, וחשיפה מוחלטת של זמן.

באופן כללי, תדרים פיזיולוגיים (0.1-1 הרץ) וגיל המעבר בינוני הם היעיל ביותר.לדוגמה, דחיסה מחזורית ב 1 הרץ ו 10% זנים מגבירה את סינתזת המטריקס, בעוד דחיסה סטטית או גבוהה מאוד מובילה לקטבוליזם. גירוי חשמלי עם שדות דומבוס בגובה של 0.1-10 מ"מ רוחב הדופק ו 1- 100 הרץ הוא טיפוסי.המשטר אופטימלי עשוי להשתנות לאורך זמן כמו פיתוח, כך אלגוריתמים מתקדמים, כך הם כל כך אלגוריתמים פעילים של אלגוריתמים של אלגוריתמים, כך הם אלגוריתמים של שליטה אזור.

בנוסף, סוגי תאים נושאים. Chondrocytes להגיב באופן שונה מאשר MSCs; MSCs דורש משך מסוים של טעינה לפני שהם עוברים מהתפשטות להפרדה. Co-תרבותs וקומפוזיציה פיגומה גם משנה את התגובה. לכן, אופטימיזציה פרמטר חייב להתבצע באופן אמפירי עבור כל מערכת.

מחקר ויישומים קליניים

כמה קבוצות תרגם גירוי ביופיזי לאסטרטגיות תיקון טרום קליני ו קליניות של מטריקס-אסד chondrocyte ההשתלה (MACI) בשילוב עם טעינה מכנית שלאחר הניתוח הוא סטנדרטי לשיקום.גישות מתקדמות יותר כרוכות בבניות השתלות תאים-scaffold משופר לתוך פגמים ולאחר מכן החל את LIPUS transcutanely. A 2018ized ניסוי נשלט על ידי LT:0MIRF הוכיח ניתוח פסיבי (R) אשר השתפר לאחר ניתוח אלטרמיטרנסטורף 1C).

במעבדה, הראתה כי דחיסה דינמית עם TGF-β3 מייצרת מבני ריצוף דמויי hyaline עם תכונות מכניות המתקרבות רקמות Native.קבוצה נוספת השתמשה בשילוב של היתוך ו- PEMF על MSC-seed Gelin methacryLTylgels, השגת תוכן גבוה וביטוי GAG II; ; ; ; ; ; ; ;2fn II; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

למרות ההצלחות הללו, התרגום לקליניקה עומד בפני ההורדלס.התביעה ביולוגית עבור טיפולים אוטולוגיים הוא יקר ומורכב.אישור רגולטורי דורש הדגמה של בטיחות, יעילות ועקביות. ניסויים קליניים רבים משתמשים בטעינה פוסט-אקטיבית פשוטה (הגבלות על משקל, CPM) ולא בהשתלת ביולוגי פעיל.

כיוונים עתידיים

פרוטוקולים אישיים

כיוון מבטיח אחד הוא משטרי ביולוגי מותאמים אישית המבוססים על תכונות תאים ספציפיים לחולה ומאפייני פגם. אלגוריתמי למידת מכונה יכולים לייעל את הפרמטרים טעינה בזמן אמת על ידי ניטור בניית קשיחות או סמנים ממטריקס סלולרי נוסף. גישה זו יכולה להאיץ בהתבגרות רוטט ולשפר את הישרדות ה-graft.

סקרפרנים חכמים עם Integrated Stimulation

גבול נוסף הוא התפתחות של פיגומים שיכולים לספק גירויים ביופיזיים ישירות. ⁇ פולימרים פולימרים, כגון פוליווינילidene fluoride (PVDF), לייצר מטען חשמלי תחת עיוות מכני, חיסול הצורך אלקטרודות חיצוניות. הידרוגלים מוליכים המכילים גרפן או צינורות פחמן ניתן להשתמש עבור גירוי חשמלי.

גישות משולבות עם גורמי צמיחה

גירויים ביופיזיים סינרגיים עם רמזים ביוכימיים.לדוגמה, שילוב דחיסה דינמי עם TGF-β3 או BMP-7 משפר את chondrogenesis יותר מכל אחד מהם.האתגר הוא לספק גורמי צמיחה באופן מבוקר ספירודורלי.גורם גדילה-relating microspheres בתוך הפיגום יכול לספק את הרמז הכימי בעוד טעינה מספקת את הרמזים הפיזיים.

מערכות סימולציות של Vivo Biophysical Stimulation Systems

לבסוף, מכשירים מותאמים ליישום גירוי מכני או חשמלי ישירות פגם טרחוס נמצאים בפיתוח. מיניטורים זעירים ואלקטרוניקה גמישה יכולים לייצר דחיסה מבוקרת או שדות חשמליים באופן קבוע.מכשירים אלה יאפשרו דינמיקה של סביבת התיקון מבלי לדרוש ביולוגי חיצוני.עם זאת, אתגרים הקשורים לכוח, ביו-גמישות, ובטיחות ארוכת טווח חייב להיות להתגבר.

מסקנה

גירויים ביופיזיים ממלאים תפקיד בלתי הפיך להנחות תאים פרוגנריים וchondrocytes כדי ליצור טיפול hyaline פונקציונלי ברקמות מונדסים. טעינה מכנית, נוזל Shear, שדות חשמליים, ואולטרסאונד כל להפעיל מסלולים מכוונים נפרדים כי מתלכדים על הביטוי של רכיבי ECM ספציפיים cartilage.

התרגום של אסטרטגיות הנדסיות אלה לפרקטיקה קלינית ממשיך להתקדם, עם טעינה מכנית פוסט-אקטיבית כבר סטנדרטית של טיפול.חידושים עתידיים באפינואידים חכמים, פרוטוקולים מותאמים אישית, ומריצים מותשים מחזיקים את הפוטנציאל להפוך גירוי ביופיאלי מרכיב שגרתי של טיפול לתיקון טרחוס. על ידי רתום רמזים פיזיים של הגוף, רקמות נעים קרוב יותר ליצירת גירוי פונקציונלי שיכול לשחזר עבור מיליוני חולים משותפים.