התפקיד של מכני סטרין קידום אוסטוגנזה יצירת Tissues

רוב המבנים מבוססי רקמות נהנה שילוב של זנים אלה, כמו העצם הילידים חוויות מורכבות טעינה רב-אקאלית. עם זאת, decoupling את ההשפעות של כל מצב חיוני עבור אופטימיזציה של פרוטוקולים ביולוגיים.

Mechanotransduction: From Force to Gene Expression

תאים אינם רק מפורקים כמו חפצים בעלי חיים; הם חשים באופן פעיל מתח מכני וממירים אותו לסימנים ביוכימיים – תהליך הנקרא mechanotransduction.

• (FLT:0) Integrins ו- המוקד AdhesentiionsFLT:1: חלבונים Transmembrane המקשרים את ECM לcytoeleton. Strain-Moderal שינויים integrins להפעיל קידוד מוקד (FAK) ו-Src, תוך הקטנת cascadesstream.
• (FLT:0Cytoeleeleeletal reמודלingFLT:1) : נוסחאות אקטין ומיקרו-מודולורים להתארגן מחדש תחת מתח, שינוי צורה גרעינית והפעלה של גורמי תיל כגון YAP /TAZ. YAP/TAZ Translocation לגרעין הוא מתג רגיש מרכזי כי מקדם אוסטאוגני ו- מניפולציות אדוגניות שונות.
• (FLT:0Wnt /β-caten PathwayFalLT:1): טעינה מכנית מייצב β-catenin, אשר לאחר מכן coactivates TCF /LEF גורמים לייקור כדי להניע ביטוי של גנים אוסטאוגניים.
• (FLT:0)MAPK אותת: ERK, JNK ו- p38 MAP kinases מופעלים בתוך דקות של גירוי מכני. ERK1/2, לדוגמה, זרחן Runx2, שיפור פעילות הטלמית שלו.
• (ב) ⁇ :0 (Calcium NoteveingFLT:1: Mechanoרגיש ערוצי ion (למשל, Piezo1, TRPV4) פתוח על מתיחה membrane, גרימת Ca2+ influx אשר גורם NFAT ו CaMKII מסלולים, ממריץ עוד osteogenesis.

[ה]הזן הממכני אינו רק גירוי פיזי פסיבי; הוא אות הרסני שיכול להנחות את גורל תאי גזע חזק יותר מאשר גורמים רבים כל כך, כאשר הוא מוחל בגודל הנכון ובתדירות." - הסתגלות מן הספרות על מכניקה.

הבנת מסלולים אלה אפשרה לחוקרים לעצב משטרים מכניים שממקדים במיוחד את ה cascades אוסטאוגניים.לדוגמה, רטט נמוך-ההכרה גבוה (LMHF) רטט (30–90 הרץ, 0.1–0.3 גרם) מפעיל YAP/TAZ ו-Wnt איתות ללא סיכון נזק תאים, המציע שיטה לא פולשנית לשיפור היווצרות העצם בבנייה.

יישומים בהנדסת טרה-מחדש: bioreactors ו- Strain Protocols

התרגום של עקרונות מתח מכניים להנדסה רקמות מעשית מבוסס על ביולוגיים - שכפולים המספקים עומסים מכניים מבוקרים, ניתנים להתחדשות לגווןים מאוישים תאים. במהלך שני העשורים האחרונים, פותחו כמה עיצובים ביולוגיים, כל אחד מהם מותאם למצב זן ספציפי.

« « ביולוגיה מדכאת

(הדחיסה ללא ספק או מוגבלת היא המודוליות הנפוצה ביותר. Scaffolds (לעתים קרובות עשוי מהתנגשות, חומצה היליטרית, או פולימרים סינתטיים) ממוקמים בין הצלחות אשר מעבירות את הפרמטרים האופייניים: 0.5-3 , 1–2 זנים amplitude, 1-4 שעות ביום.

Tensile bioreactors

עבור זנים Tenile, פיגומים גמישים (למשל, אלקטרוספסון פוליפטרון) הם clamped ומחוצים באמצעות אקטוטורים ליניאריים. דינמי Tenile זנים upregulates סוג I וביטוי osteopontin. A מחקר באמצעות תאי גזע ligament a periodontal ligament נמצא כי 8% מתוחים ב- 0.5 הרץ גדל אלקלפוספטאז על ידי פעילות משולשת 3 (F:0, 1 LTs).

Perfusion Bioreactors (Shear Stress)

מערכות אלה שואבות תרבות בינונית באמצעות ⁇ פיגומים, ייצור של נוזל Shear.הגודל הלחץ של Shear נשלט על ידי קצב זרימה, פורוזיות פיגומים, ואת הפנים. Shear הלחץ של 0.1-1 פא הוא בדרך כלל osteogenic. A ציוני מחקר על ידי FLT:0Bancroft et al. (2002) הוכיחו כי פיזור מתמשך של מינרליים מוגברת בייצור ממטרדפוספס 4.

רבים bioreactors מתקדמים משלבים שני מצבי זנים או יותר.לדוגמה, מנגנון החל דחיסה בעוד בינוני חודר מספק גם גירויים דחוסים ו Shear, מחקה בתנאי vivo יותר קרוב.

אופטימיזציה של Strain Parameters

הצלחה תלויה בתיקון של שלושה משתנים:

• (FLT:0 MagnitudeFLT:1): זן קטן מדי לא מצליח להפעיל mechanotransduction; יותר מדי יכול לגרום למוות תאים או דיסדנציה. גודל אופטי עבור osteogenesis בדרך כלל נופל בין 5% ל-12% דחיסה או 2% ל 10% מתח.
• (FLT:0)FrequencyFLT:1: תדרים נמוכים (0.1-1 הרץ) מחקים הליכה; תדרים גבוהים יותר (>10 הרץ) הם פחות פיזיולוגיים, אך עדיין יכולים להיות יעילים, במיוחד עבור גלי הרדאר ביולוגיים רטט.
• (ב) ⁇ :0 (הפסקה ומנוחה) 1: טעינה לסירוגין (למשל, שעה אחת על, שעה אחת) לעתים קרובות מחלחלת טעינה מתמשכת.

שיקולים חומריים תקפים

תכונות מכניות ספוקלד להשפיע על האופן שבו זן מועבר לתאיים. paffolds (מתאים מתקדמים hydrogels) מגביר את המתח המקומי אבל עשוי להתפזר במהירות; פיגומים נוקשים יותר (ceramics, פולימרים) משדרים זנים יותר בנאמנות אבל יכול להגן על תאים מעיוות קשיחים אם נוקשה מדי.האפקט האידיאלי צריך להיות נוקשות לעצם (1030-a) עדיין לאפשר טיפול מיני (pic) עם חומרים מטבוליים).

ב-Vytro וב-Viovo Evidence

במחקרים Vitro

רבים במחקרי vitro מסמנים את ההשפעה הפרו-אוטגנית של זן מכני.לדוגמה, סקירה שיטתית של 47 מחקרים על MSCs סיכמה כי דחיסה מחזורית ב 1 Hz, 5–10% הייתה המשטר עקבי ביותר עבור הרחבת סמנים אוסטיאוגניים (Runx2, OSX, OCN) ו desia desia deposition (FCM:0-Actama, 2019, cerreplearum, LT).

הערה מסוימת היא הסינרגיה בין זנים מכניים לבין גורמים אוסטאוסטינקטיים.שלב BMP-2 עם דחיסה מחזורית מייצרת אפקט תוספת על אוסטאוגנזיס, ככל הנראה בגלל mechanotransduction sensitating תאים כדי לגרום להזדקנות אותות.זה מוצא פותח דרכים להפחתת המינון הנדרש של גורמי צמיחה (ועלויות קשורות / סיכון) על ידי אופטימיזציה של פרוטוקולים מכניים.

ב-Vvo Preclinical Models

[4] תרגומים באפקטים vitro מודלים של בעלי חיים עדיין מאתגרים אך מבטיחים. במודל פגם בקנה מידה קריטי של עכברוש, פיגומים חשופים לדחיסה מחזורית יומית (באמצעות פועל חיצוני) במשך 4 שבועות הראו באופן משמעותי יותר מילוי העצם וכוח מכני מאשר הפיגמומים תרבותיים סטטיים (FLT:0Tissue A, 2020FLT:1).

עם זאת, החלת טעינה מכנית מדויקת למבנה מושתל היא קשה מבחינה טכנית.רוב המחקרים vivo משתמשים במכשירי טעינה חיצוניים שיכולים לגרום לאי נוחות בבעלי חיים או לדרוש הרדמה.כדי לטפל בכך, החוקרים מפתחים ביולוגיים מושתלים - מכשירים מאוישים המספקים כוחות מכניים מבוקרים ישירות למבנה, או באמצעות סגסוגת בצורת או רכיבים מתוחכמים.

אתגרים ומגבלות

למרות ראיות משכנעות, כמה מהמכשולים מונעים אימוץ קליני נרחב של גרגרי עצמות מגרים מכניים.

• (FLT:0)StandardizationFLT:1: אין הסכמה על פרמטרים אופטימליים של זנים.חומר סקפר, מקור תאים, ומדיום התרבות משפיעים על התגובה.A אחד בגודל אחד מתאים לכל פרוטוקול הוא בלתי צפוי; כוונון ספציפי לחולה עשוי להיות נדרש.
• (FLT:0)Scale-upofFLT:1: רוב המחקרים משתמשים בבניינים קטנים (מספר מ"מ לסנטימטרים) Scaling עד פגמים בגודל האדם (למשל, פלח בלתי-אפשרי) דורש הפצה מתוחה אחידה, שקשה להשיג בבניינים עבים. Finite Modeling משמש לייצור פיגמנטים הממזערים.
• (FLT:0) Bioreactoreurreactorreart מורכבות FLT:1: ביולוגיים גבוהים הם יקרים, דורשים הנדסה אישית, וביקוש ניתוח סטרילי.
• (FLT:0) לטווח ארוך vivement: טעינה מכנית רציפה או חוזרת יכולה להוביל עייפות ספוגה, ניתוק תאים, או דשטוש. Balancing osteogenic עם שלמות בנייה הוא סחר עדין.
• (ב) [ה]: אפילו אם מבנה הוא מותנה מבחינה מכנית ב vivove אינטגרציה FLT:1: גם אם מבנה הוא מותנה ב vitro, הסביבה המארחת כופת את העומסים שלה.המבנה חייב לעמוד אלה ללא כישלון, וההיסטוריה המכנית צריכה להיות תאים ראשוניים אידיאליים להמשך עיצוב העצם לאחר השתלת.

כיוונים עתידיים

מודלים

ניתוח אלמנט Finite ומודלים מבוססי הסוכן משמשים יותר ויותר לחזות כיצד זנים מכניים מתפשטים דרך פיגומים וכיצד תאים מגיבים.מודלים אלה יכולים להאיץ את העיצוב של פרוטוקולי טעינה אופטימליים וארכיטקטורה ספוגית, צמצום הניסוי וטרור במעבדה. אלגוריתמי למידת מכונה יכול גם את הניסויים שלי באמצעות לחץ גבוה כדי לזהות את הפרמטרים המשפיעים ביותר.

מערכות Bioreactor

ביולוגי הדור הבא יכיל משוב בזמן אמת.לדוגמה, חיישנים המדיקים נוקשות מטריצה או סידן סטיגנציה יכול להתאים את גודל הזן באופן דינמי.ביולוגיים המחקים קצבים שונים (דפוסי טעינה יום / לילה) עשויים עוד לשפר את הרלוונטיות הפיזיולוגית.כיוון מבטיח אחר הוא השימוש באולטרסאונד או שדות מגנטיים כמו גירויים לא מגע מכני, על ידי עקפת הצורך ליצירת קשר פיזי עם המבנה.

שילוב עם Cues biochemical

הפרוטוקולים האוסטיאוגניים החזקים ביותר משלבים מתח מכני עם גורמים ביוכימיים אופטימליים: BMPs, FGF-2, ו-Vick D3. Research לתוך רצף הזמן (למשל, הזן ראשון, ולאחר מכן BMP, או להיפך) ישלטו את הגישות המשולבות הללו.בנוסף, אפיגנטיות פרימיינג באמצעות זן מכני (למשל, שינוי דפוסי ה-DNA של osteogenic) בגנים) הוא מקדם את ההשפעות ארוכות של אזור מתפתח אפילו לאחר הסרת חומרים מתקדמים.

טיפול בחולים-חלקי

בסופו של דבר, הצלחה במרפאה תדרוש פרוטוקולים מותאמים אישית.פרופיל הטעינה המכאני הדרוש לחולה אוסטאופוטי עשוי להיות שונה מזה עבור ספורטאי צעיר.שימוש בתאי גזע בעלי השפעה גבוהה של המטופל (iPSCs) או MSCs, החוקרים יכולים לקבל תשובות טרום-מסך למשטרים שונים ב vitro ובחירת המשטר האופטימלי לפני הקמת הגישה הזוטרפת עם דיוק רחב יותר.

מסקנה

מתח מכני אינו רק צום לגירוי ביוכימי - הוא הרגולטור המרכזי של אוסטאוגנזה ברקמות-engineered עצם לבנות. על ידי הבנת סוגי הזנים, מסלולים מכניים, ואת עקרונות ההנדסה שמאחורי מערכות ביולוגיות יעילות, השדה נע קרוב יותר לייצור גניבת עצמות קליניות קיימא שיכולה לשחזר פונקציונליות, עומס עומסים מתקדמים סביב אסטרטגיות סטנדרטיות, להיות משולבות סטנדרטיות של תפקוד, כמו גם מומים מכניים, הם מתקדמים, שילוב של שיטות חישוביות, כמו גם פגום, כמו גם פגום, יעיל, יעיל, יעיל, יעיל, יעיל, יעיל, יעיל, יעיל, כמו שיטות מורכבות מודלים מכנית, שילוב של טכניקות מורכבות מודלים מכנית, שילוב של טכניקות מורכבות.

לקריאה נוספת על מסלולים ממנגנון ה- mechanotransduction, מתייחסת ל-FLT:0 (הטבע סוקר את הביולוגיה של תאים מולקולריים (2021)FLT:1 ).עבור סקירה מקיפה של עיצובים ביולוגיים, ראה FLT:2Journal of the Mechanical Behavior of biomedical Materials (2021)FLT 3: 3 העדכונים הקליניים זמינים ב-F:4Bone (2022),5:5:5:555 ).