הפוטנציאל של טיפול בתאי גזע כדי לחדש איברים פגומים ורקמות יש captivated מחקר ביו-רפואי במשך עשרות שנים. בעוד מאמצים מוקדמים התמקדו כמעט אך ורק בסימנים ביוכימיים - גורמים cytokines, ומולקולות קטנות - גוף גדל של ראיות מגלה כי הסביבה הפיזית מפעילה שליטה עמוקה באותה מידה על גורל תאי גזע.

הטבע של Cues Biophysical

רמזים ביולוגיים מייצגים את המאפיינים הפיזיים של המיקרו-סביבון התאי שהתאים חשים ולהגיב דרך mechanotransduction.בניגוד אותות כימיים כהלוליים, רמזים אלה נובעים ממטריקס החוץ (ECM), תאים שכנים, ועומס מכני חיצוני.התגובה הנוקשות לרמזים אלה אינה פסיבית; תאים חיים בודקים באופן פעיל את סביבתם, מפעילים כוחות חוזים על המטריקס ותואמים את ההתנהגות הדמוגרפית שלהם.

כוחות מכניים

תאים בגוף נתונים כל הזמן לכוחות מכניים. cclic למתוח בשומן ושרירים, דחיסה בתוך העצם וחוספס, ו הלחץ הרהר מזרימת דם בתוך השקע הם כל דוגמאות פיזיולוגיות.כוחות אלה מועברים דרך תאי ECM ותא - תאים קריטיים של דלקת מפרקים מעגלית או תאים רגישים לתאים רגישים אחרים של דלקת מפרקים (למשל, דלקת מפרקים) לתוך תאים עצביים שונים של דלקתיים שונים.

המונחים: Stiffness

הנוקשות המכנית של תת-החלל העודף היא אחד מהסימנים הביופיזיים הידועים ביותר של ביו-פיסיקה.רקמות האינדיאנים מציג מגוון רחב של ערכי נוקשות, מרקמות המוח הרכות (המאות של פסקלים) לעצם נוקשה (ג'ונגלוסים רגישים) כי הם הופכים לתאים רגישים של אונרוזיס (Samtrices) על ידי גירויים שונים של גירוי עצביים והופכים לתאים סטרוגניים (Ricreicreichards) על ידי גירוי עצביים שונים של המוח).

תכונות טופוגרפיות

הטופוגרפיה של הסביבה העודנית - כולל תכונות כגון grooves, ridges, עמודות וסיבים - מספק שכבה נוספת של מידע ביופיזי. תאים התואמים לנונומטרי ותבניות מיקרו-סול, תופעה ידועה בשם הדרכה מגע.Grovedstrates יכול גם אוient cell divisiones ומשפיעים על שונות.

מכניזם של Mechanotransduction

התהליך שבו תאים להמיר גירויים פיזיים לתגובות ביוכימיות נקרא mechanotransduction.It כרוך ברשת של חיישנים מולקולריים, טרנסנפורים, ואפקטים שעובדים בקונצרט כדי להסדיר ביטוי גנים ובסופו של דבר גורל תאים.

Integrin-Mediated Adhesion ו- Focal Adhesion

תאים מייחסים את ECM דרך קולטנים אינסטיפריים, אשר אשכול ב- קידוד מוקדים.כאשר כוחות חיצוניים מוחלים, או כאשר הנוקשות הסובסטרית משתנה, תוך כדי גירויים להפעיל kinase (FAK) ו-Src Family kinases.

YAP/TAZ Transcription Factors

YAP (כן-קשור חלבון) ו-TAZ (שותף טירוני עם מוטיב PDZ-binding) הם ממנגנון גרעיני אשר המקומיזציה רגישה להפליא לסביבה המכנית.על מצע נוקשה, YAP/TAZ הם גרעיניים ופעילים, קידום התרחבות והתאמה לקווי חירום הדורשים חוזה גבוה (למשל, גנים תת-קרקעיים) ו- YAPGateph מעורבים בגורמים ספציפיים של תאי גזע (YAPGateicial) ו-T) ב-YAPCateration cell Passation).

Cytoskeletal Dynamics ו-Mechanics גרעיניים

ה-Torin cytoeleton פיזית זוגות הסביבה התוספתית לגרעין באמצעות מתחם LINC (linker of nucleoskeleton ו-cytoeleton) המועבר באמצעות סדקים אקטין ו filaments ביניים יכולים ישירות לפענח את הגרעין, שינוי ארגון chromatin וביטוי גנים.

יישומים לתיקון איברים

היכולת לכוון את הגוון של תאי גזע על ידי מניפולציה של רמזים ביופיזיים פתחה דרכים חדשות לתיקון איברים ספציפיים. ⁇ הנדסה Tissue הנדסה ו bioreactors נועדו כדי לשחזר את הסביבה הפיזית של רקמת היעד, ובכך לשפר את האינטגרציה והפונקציונליות של תאים מושתלים.

תיקון לב

כשל לב לאחר קוצר ראייה נשאר גורם מוביל לתמותה.רקמות הלב הוא תמיד תחת לחץ מכני מחזורי, ואת הנוקשות של myocardium בריא הוא בערך 10-20 kPa, גדל לאחר infarction. כדי לשחזר שריר הלב פונקציונלי הלב תפקודי נוסף, החוקרים הגישו מחזורי גמישה על ידי קרדיוציטים תאי גזע עובריים או pltorial-perated תאים משופרים של תאים עם רמות גבוהות יותר של קרישה אחת של קרישה (Ric) עם רמות לחץ דם יציבים).

חידושים עצביים

תיקון המוח או רקמת חוט השדרה דורש נוירונים שיכולים ליצור קשרים סינפטיים מתאימים.מערכת העצבים המרכזית היא רכות מאוד (0.1-1 kPa), ותאי גזע מגיבים לרך הזה על ידי הבחנה לתוך נוירונים ולא glia. hydrogels עם נוקשות טונה בטווח הרך, לעתים קרובות בשילוב עם גורמים נוירוטרופיים, שימשו כדי לכוון תאים עצביים ישירות לייצור גורל עצבי, כגון קידודים אופטיים, כמו קדמית, כגון קדמית, קדמית של גירוי עצביים, קדמית, קדמית, קדמית, קדמית, קדמית, קדמית, קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית , קדמית קדמית , , קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית , קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית קדמית

תיקון עצמות וקרטיל

העצם הוא רקמה נוקשה, וגוון אוסטיאוגני תומך substrates קשיחים (מודלים אלגנטיים > 25 kPa) Calcium phos מבוססי קרמיקה ו scaffolds פולימר נוקשה משמשים באופן שגרתי כדי לספק MSCs עבור התחדשות העצם.עם זאת, עבודה לסירוגין מראה כי טעינה דחוסה דחוסה, דחיסה פיזיולוגית הליכה, משפרת ביטוי גניגמנטוגס וגמוגרפיה עבור דלקת מפרקים.

המונחים:

תיקון איברים מוצלח תלוי באספקת דם פונקציונלית.תאים אנדואליים יכולים לנבוע מתאים גזע על ידי חשיפתם ללחץ Shear בערוצי מיקרו-השפעה או רוטטקטורים ביו-סבירים. Fluid Shear מדגישה את הפחתת ה-vascular Endothelial factor 2 (VEGFR2) ומקדם את היווצרותן של רשתות דמויות capillary.

הנדסה של Microenvironment

התרגום המעשי של רמזים ביופיזיים לטיפולים קליניים מסתמך על היכולת מהנדס מיקרו-סביבונים מבוקרים בדיוק.זה כולל בחירת ביו-חומרים מתאימים ועיצוב מערכות תרבות שיכולות לספק את האותות הפיזיים הרצויים לאורך זמן.

עיצוב ביו-חומרי עבור Stiffness וטופוגרפיה

פולימרים טבעיים כגון קולגן, fibrin, חומצה היאלורונית, כמו גם פולימרים סינתטיים כמו פוליאתילן גליקול (PEG) ופולי אקרימיד, ניתן לעבור לחדור כדי להשיג מגוון של ערכים קשיחים שפותחו על ידי photo-faceable hydrogels מאפשר שליטה מרחבית וזמנית של קשיחות, המאפשרת דינמיקה של רקמות התפתחותית יכול להיות הציגה אלקטרו-דמומית (למשל) 3D אפקטים אלקטרו-מחדשניים.

Bioreactor Systems for Mechanical Conditioning

bioreactors לספק סביבה מבוקרת שבה אותות ביופיזיים מרובים ניתן ליישם בו זמנית.עבור הנדסת רקמות לב, bioreactors למתוח מחזורי להחיל biaxial או uniaxial זן. עבור העצם, ביולוגי היתוך משלב מתח נוזלי עם טעינה דחיסה.מערכות אלה לא רק לשפר את הפחתת החמצן ואת הבשלה אוטומטית.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה של גישות מבוססות אותות ביופיזיים, כמה מהמכשולים נותרו לפני אימוץ קליני נרחב.

סקלאלה וחידוש

ייצור מיקרו-סביבה עקבית של מיקרו-סביבה במספרים גדולים של שתלים הוא מאתגר.Boch-to-batch וריאציות בנוקשות פיגומית, פורוזיות, וטופוגרפיה יכולה להוביל לתוצאות שונות בלתי עקביות.שיטות בקרה מתקדמות באיכות, כגון בדיקות מכניות בעלות גבוהה וניתוח תמונה אוטומטי, מפותחות אך אינן סטנדרטיות.

הטרוגניות של אוכלוסיות תאים

אוכלוסיות תאים Stem, אפילו מתורם יחיד, מציג heterogeneity intrinsic בתגובתם לרמזים ביופיזיים. RNA יחיד quencing גילה כי תת-התתתות של MSCs יש mechanos שונה בשל רמות שונות של ביטוי integrin או YAP פעילות. זה heterogeneity יכול לגרום phenotype מעורב בתוך תאים מכניים, אך ורק על ידי תאים מכניים.

בתרגום ויבו

הסביבה המכנית של אורגניזם חי היא דינמית ומורכבת.החומרים המושתלים כפופים לתגובות דלקתיות, השפלה מריצה, ושיפוץ על ידי תאים מארחים, אשר יכול לשנות את הרמזים הביופיזיים המיועדים.לדוגמה, נוקשות ספוגית עלולה להידרדר לאורך זמן, או פיברפוס encapsulation עשוי להגן על תאי גזע מכוחות מכניים מבוקשים.

כיוונים עתידיים

העשור הבא של המחקר יהיה להתמקד שילוב רמזים ביופיזיים עם אותות רגולטוריים אחרים והתאמה אישית של טיפולים עבור חולים בודדים.

קומפוטורי ודינמיקה

טבע לעתים רחוקות משתמש ברמז יחיד בבידוד.ביולוגיים המתפתחים יכולים ליישם שילובים מורכבים, זמן-varing של מתיחה, הרהר ונוקשות.לדוגמה, מכשיר מיקרו-השפעה רב-ערוצי יכול לחשוף תאים לשינויים קשיחות ומיזוג כדי לחקות התפתחות לב מעובר לאלגוריתמים של למידה מכונה מועסקים כדי להתאים את מערכות ה- Multi-paraididic הללו, זיהוי רצף מדויק והיקף של מיקוד שונה לעבר מטרה.

רפואה אישית ו-Viovo Reprogramming

תאי גזע ספציפיים לחולה (iPSCs) כבר מבטיחים להשתלת השתלות אוטולוגית.שלב טכנולוגיית iPSC עם ECM חולני - לדוגמה, על ידי decelly מן האיבר הפגום - יכול ליצור הפיגמומים נוקשים כי להציג רמזים ביוכימיים וביופיסיקה זהים לרקמות הילידים.

בסופו של דבר, ההצלחה של טיפולים תאי גזע לתיקון איברים תלויה בהבנה עמוקה של איך תאים מפרשים את העולם הפיזי שלהם.על ידי תכנון מערכות ביו-חומרים ותרבות שמשכפלות נאמנה את הסביבה הביו-פיזית של פיתוח ורקמות בוגרות, אנו יכולים לנווט גורל תאי גזע עם דיוק חסר תקדים.השילוב של מכניקה עם הנדסת רקמות אינו רק תרגיל אקדמי - זה צעד הכרחי לקראת מימוש ההבטחה הקלינית של תרופות רגנרטיביות, כמו אינספור מחלות לב, פעם טראומה, עם הפרעה דלקת ריאות, פעם, עם תפקוד לקויה, או הפרעה דלקת ריאות, עם אינספור, עם אינספור, או הפרעה דלקת ריאות, עם אינספור, עם אינספור, עם אינספור, עם אינספור, או הפרעה דלקת ריאות לקויה, עם אינספור, עם אינספור מחלות דלקת ריאות לקויה, עם אינספור, עם אינספור, עם אינספור, עם ספיקת, עם אינספור, עם אינספור מחלות דלקת ריאות לקויה, עם ספיקת תפקוד לקויה, עם אינספור, עם ספיקת תפקוד דלקת ריאות לקויה, עם ספיקת תפקוד לקויה, עם אינספור מחלות דלקת ריאות לקויה, עם אינספור, עם אינספור, עם אינספור, עם אינספור, עם ספיקת תפקוד דלקת