Giriş: Mekanik Güçler Kemik Formasyonları Olarak

Bone doku mühendisliği, kritik büyüklükteki kusurları onarabilen işlevsel yapılar yaratmayı veya travma, hastalık veya kongenital anormallikler tarafından kaynaklanan bir kemik değiştirmeyi amaçlamaktadır.Yerel kemik, büyüme faktörleri ve kök hücreler önemli bir dikkat aldı, fiziksel çevre - özellikle de mekanik bir gerilim - başarıyı koruyan bir şekilde ortaya çıkıyor. Mekanik bir şekilde, bu fikre sahiplenme sürecindeki kemik deformasyonu, doğrudan hücreli etkilerden kaynaklanan biyolojik etkiler.

Bu makale, osteogenezleri teşvik etmek için mekanik suşinin çok yönlü rolünü araştırıyor. Mekanik uyaranlara nasıl güçleneceklerini inceleyebiliyoruz, hangi hücrelerin kendi kemik yapısını, ancak aynı zamanda dinamik mekanik çevresini de dağıtması gereken zorlukları inceler.

Mekanik Strain'i Bone Context of Bone

Mekanik sular, uzun (veya şekli) dışsal kuvvetler uygulandığında orijinal boyuta göre bir malzeme olarak tanımlanır.Dört doku mühendisliğinde, hücreler ve ekstra hücre matrisleri tarafından deneyimli deformasyona özel olarak ifade edilir.Tcon mühendisleri, tüm hücresel cevaplarda, kemik hücreleriyle ilgili olarak hassastır: normal aktivite sırasında% 0,4'ten% 0,4'e kadar fizyolojik susturmalar.Tcon mühendislerini güvenle zorlamak için fizyolojik olarak teşvik etmeyi amaçlar.

Mekanik Strain Türleri

Mekanik suların üç birincil modu kemik doku mühendisliği ile ilgilidir:

  • [FONT:0]Komser suskunma ([Döncük)[[Döncüksel baskılar[Döncükler)) ve düktörlerde (örneğin, 1 Hz, 5-10 su) mesenchymal kök hücrelerin (MSC) oksidatif olarak farklılaşmalarını teşvik eder ve matrisi arttırır.
  • [FONT:0]Tensile suskunma[[Dönder:)): İçerdeki malzemenin yanı sıra, elvezegenler ve periosteum tarafından deneyimlenir, ancak aynı zamanda düzelme yükleri altında kemikte meydana gelir.
  • [FONT:0)Shear stres[[Dönetici: 1): Hücre yüzeyinde sıvı akış tarafından üretilen ölçümsel kuvvetler, lacunar-canalüler sistemi içindeki travmatik sıvı akışı, osteosit ve osteoblastlar üzerinde şiddetli bir stres yaratır.

Çoğu doku-mühendis, bu suların bir kombinasyonunun faydasını sağlar, çünkü yerli kemik deneyimleri karmaşık multi-aksiyel yükleme. Ancak, her moddaki etkileri biyoreactor protokolleri optimize etmek için önemlidir.

Mechanotransduction: Force to Gene Expression

Hücreler sadece inanimate nesneler gibi değil; aktif olarak mekanik sular hissediyor ve biyokimyasal sinyallere dönüşüyorlar - mechanotransduction. Anahtar bileşenleri şunları içerir:

  • [FONT=0)Integrins ve odak noktaları[FAK) ve Src, alt dalgalı cascades'i bağlayan transmembrane proteinleri. Strain-indüklenen kondüksiyon değişiklikleri.
  • [FONT:0]Cyto iskelet yeniden modelleme[[Dönetici: Actin filamentler ve mikrotubules, gerilim altında yeniden örgütleniyor, nükleer şekli değiştiriyor ve transkriptiyon faktörlerini sil/TAZ translokasyonunu çekirdeklere dönüştürüyor
  • [FONT:0]Wnt/ ⁇ -catenin yolu[[Dönetici: Mekanik yükleme stabilizdir, sonra TCF /LEF transkriptiyon faktörlerini osilojen genlerin ifade etmeye zorlar.Bu yol özellikle de çevrimsel sular için hassastır.
  • [FONT:0]MAPK sinyalizasyon[Dönetici: ERK, JNK ve p38 MAP kinaslar mekanik uyarılar dakikalarında aktif hale gelir. ERK1/2, örneğin, fosforlu Runx2, transkriptiyonel aktivitelerini artırmak.
  • [FONT=0)Calcium sinyalizasyon[Dönem: Mechano hassas iyon kanalları (örneğin, Piezo1, TRPV4) membranın üzerine açın, Ca2+ influx'a yol açan, daha da teşvik edici osteomopu yollarına neden olur.
“Mechanical suskunma sadece pasif bir fiziksel uyaran değildir; kök hücre kaderini doğru boyutta ve frekansında uygulanan birçok fikre daha güçlü bir şekilde yönlendirebilecek bir öğretici sinyaldir.”

Bu yolları anlamak, araştırmacıların özellikle hücre hasarına karşı koruyucu olmayan mekanik rejimleri tasarlamasını sağladılar, örneğin, düşük boyutlu yüksek frekanslı yüksek frekanslı (LMHF) vibrasyon (30-90 Hz, 0.1-0.3 g) aktive eder.

Tound Engineering'de uygulamalar: Bioreactors ve Strain protokolleri

Mekanik suskunma ilkelerinin pratik doku mühendisliğine çevirisi biyoreactors'a dayanıyor - kontrol edilen, yenidenroditeible mekanik yükler hücreye kazınmış scaffolds. son iki yılda, birkaç biyoreactor tasarımı geliştirildi, her biri belirli bir su ısıtıcısı için optimize edildi.

Kompiyon Bioreactors

Cyclic unconfined veya sınırlı sıkıştırma en yaygın modality. Scaffolds (günde kanserli asit veya sentetik polimerler) plakalılar arasında yer almaktadır. Tipik parametreler: 0,5-3 Hz frekansı, günde 1-20 arası suskunma, günde 1-20 saat.İnsan kemik iliği-burunda yapılan deneyler, kollektif olarak inceler.

Çekme Biyoreactors

Baskılar için, esnek scaffolds (e.g., elektrospun policaprolactone) 3 kata kadar (Dönergenler kullanarak sabit çekimler kullanılarak yapılır. Dinamik çekmeler kolajenleri kolajen tipi I ve osteopontin ifadesi.

Perfüzyon Biyoreactors (Shear Stres)

Bu sistemler pompa kültürü, göz ardı edilebilir scaffolds, sıvı hear. hear stres büyüklüğü akış hızıyla kontrol edilir, scaffold porosity ve viskosity. Shear stresi 0.1-1 Pa tipik olarak osteojenik. a point study byETHFLT:0).Bancroft et al. (2002)

Birçok gelişmiş biyoreactors iki veya daha fazla suşi modları birleştirir. Örneğin, perfusing ortası hem sıkıştırıcı hem de hear stimuli, mimikking in vivo koşullar daha yakından sağlar.

Strain Parametrelerini İyileştirmek

Başarı, üç değişkenin iyileştirilmesine bağlıdır:

  • [FONT:0)Magnitude[[DÜDÜT:1): Çok az miktarda su, mechanotransduction'ı etkinleştiremez; çok fazla hücre ölümü veya defarklılaştırmaya neden olabilir. osteogenez için optimal büyüklükler genellikle% 5 ile 12 kompresyon veya% 2 ile% 10 arasında azalır.
  • [FONT=0]Frequency[[[Dönetici: Düşük frekanslar (0.1-1 Hz) mimik yürüyüş; daha yüksek frekanslar (>10 Hz) daha az fizyolojik ama özellikle de vibrasyon biyoreactors için etkili olabilir.En iyi frekans şüpheliler ve hücre tipine bağlı olabilir.
  • [FONT:0)Durasyon ve geri kalanlar [Dönder: 1 ): Geçici yükleme (örneğin, 1 saat, 1 saat) genellikle sürekli yükleme. Bu model aynalar, doğal geri kalan dönemlerin ambulation ve sinyal amplifikasyonu ile sinyal amplifikasyonu sağlar.

Scaffold Material considerations

Mekanik özellikler, suların hücrelere nasıl aktarıldığını etkiler. Yumuşak scaffolds (kompliant Hidrogels) Yerel baskıyı basitleştirir ancak anlamlı hücreli sular (ceramics, sert polimerler) daha sadık bir şekilde ilerleyebilir, ancak optik hücrelerden daha sert bir şekilde su geçirmez. İdeal scaffoldujinal kemikle karşılaştırılabilir bir sertlikte olur (10-30 GPa) ve hala anlamlı hücreli susmelere izin vermek için yeterince belirsizdir.

Vitro ve In Vivo Kanıtları

Vitro Studies

Örneğin, MSC'lerde döngüsel sıkıştırmanın 1 Hz'de, 5-10% su basıncının perfüzyonu (Runx2, OSX, OCN) ve mineral depozisyonunun en tutarlı rejim olduğunu sonucuna varmıştır ([Dönetici:0)

Özellikle dikkat, mekanik gerginlik ve osteotme faktörleri arasındaki sinerjidir. Çevrimsel sıkıştırma ile BMP-2'yi birleştirmek, osteogenez üzerinde katkı sağlamanın önemli bir etkisinden daha fazlasını yapar, çünkü mechanotransduction yousitizes hücreleri büyüme faktörü sinyaline dönüştürür.Bu bulgu, gerekli büyüme faktörlerini azaltmak için bir miktar açar (ve ilişkili maliyetler / riskler) mekanik uyarı protokolleri optimize ederek.

In Vivo Preclinical Models

Hayvan modellerine yapılan translating zorlu ama umut vericidir. Bir sıçan kritik büyüklükte bir kalibresel hata modeli, günlük klinisyen (yabancı bir eylemci) ile 4 hafta boyunca, pirincin sabit bir şekilde artarak kemik hacminin 12 hafta içinde %40 oranında arttığını gösterdi.

Ancak, implante edilmiş bir yapıya kesin mekanik yükleme uygulamak teknik olarak zordur. Çoğu in vivo çalışma, hayvan rahatsızlıklarına veya anesteziye neden olabilecek dış yükleme cihazları kullanır.Bunu ele almak için, araştırmacılar implantatif biyoreactors geliştiriyorlar - kontrol edilen mekanik güçleri doğrudan inşa etmek için, ya da şekilbelli alaşımları veya manyetik olarak hareket eden bileşenleri kullanarak.

Meydanlar ve Sınırlar

Zorlu kanıtlara rağmen, birkaç engel, mekanik olarak uyarlanmış doku-mühendis kemik greftlerini yaygın olarak kabul etmesini engeller.

  • [FONT:0)Staj[Dönetici:0)Strateization): En iyi susaj parametreleri konusunda fikir birliği yoktur.Saffold material, cell source, and culture orta all impact the response. A one-size-fits-all protokolü olası değildir; hasta-spesifik ayarlanabilir.
  • [FONT=0]Scale-up): Çoğu çalışma küçük yapılar kullanır (birkaç milimetreye kadar santimetreye kadar) insan-boyut kusurlarına (örneğin, bir mandible segment) uygun bir şekilde, kalın yapılarda elde etmek zor.
  • [FONT=0)Biorektör karmaşıklığı[[Dönetici: Yüksek uç biyoreactors pahalıdır, özel mühendislik gerektirir ve steril işlemler talep edilir. Klinik çeviri için, daha basit, kullanıcı dostu cihazlar gereklidir.
  • [FONT=0]Uzun vadeli viability): Sürekli veya tekrarlanan mekanik yükleme, kazak yorgunluk, hücre dekolmanı veya defarklı olmayan uyarıları inşa etmek, hassas bir ticaret-offdur.
  • [FONT:0)In vivo entegrasyon[[[Dönetici: Bir yapı mekanik olarak in vitro olsa bile, ev sahibi çevre kendi yüklerini dayaktır.Yapı başarısız olmadan buna dayanmalıdır ve mekanik tarih implantasyondan sonra mükemmel bir şekilde yeniden modellenmelidir.

Future Yol Tarifi

C ⁇ Modeling

Finite element analizi ve ajan tabanlı modeller, laboratuvarda mekanik sualtınların nasıl tepki verdiğini ve hücrelerin nasıl yanıt verdiğini tahmin etmek için giderek daha fazla kullanılır.Bu modeller en etkili parametreleri tanımlamak için en iyi yükleme protokolleri ve şüpheli mimarilerin tasarımını hızlandırabilir.

Gelişmiş Biyoreactor Systems

Sonraki nesil biyoreactors gerçek zamanlı geri bildirimleri içerecektir. Örneğin, matrix sertlik veya kalsiyum dekonomisinin aşırı derecede dinamik olarak bozulmasını sağlayan sensörler. Biyoreactors that mimik diurnal ritims (gün/night yükleme kalıpları) daha fizyolojik bir ilgi daha da artırabilir. Başka bir umut verici yön, ultrason veya manyetik alanların kullanımı, inşa edilen mekanik uyaranlar ile fiziksel temasa geçebilmeleri.

Biokimya Cues ile Kombinasyon

En güçlü osilojenik protokolleri, mekaniksel olarak en iyi biyokimyasal faktörlerle birleştirir: BMPs, FGF-2 ve D3. Araştırmayı ilk kez, BMP veya yardımcı ve tam tersi ile birleştirir, bu speratif yaklaşımlara ek olarak, epigenetik pretikler mekanik sustu (örneğin, oteojenik gen teşvik edici kalıpları) devre dışı bırakmaktan sonra bile, uzun süreli etkiler üretebilir.

Hasta-Specific Tuning

Sonuçta, klinikte başarı kişiselleştirilmiş protokolleri gerektirecektir. Mekanik yükleme profili, bir osteoporotik yaşlı hasta için gerekli olan cevapları genç bir atlet için farklı olabilir.Hasta kaynaklı pluripotent kök hücreleri (iPSCs) veya MSCs, araştırmacılar in vitro'daki çeşitli yükleme rejimlerine önceden uygun cevaplar verebilir ve gresyona karşı daha geniş bir eğilimle bu yaklaşımla uyum sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mekanik suskunma sadece biyokimyasal uyarıya bir yan yana değildir - bu kemik lojistiği, yük devreleri inşa edebilir. Standartlaştırma, ölçeklendirme ve cihaz karmaşıklığı, etkili biyoreaktör sistemlerinin arkasındaki mühendislik ilkeleri, atelif biyoreaktörler ve bu teknolojiler için klinik olarak uygulanabilir olan gretme stratejileri üretmek için daha yakıntır.

Mechanotransduction roadways üzerinde daha fazla okuma için, [FONTD:0) Doğa Yorumları Moleküler Hücre Biyolojisi (2021)[Dönetici tasarımları için, bkz.Dreactor'un Mekanik Davranışı (2021)[Döneticileri: 3 ). Klinik çevirisel güncellemeler (2022)[Dönemli[Dönemli bir inceleme için[Döneticiler için).