Клетки - это динамические структуры, которые должны реагировать на сложные природные и физико-химические сигналы из окружающей их среды.
Цитоскелет - основной медиатор реакции клетки на сигналы внеклеточного матрикса и других клеток, присутствующих в локальном микроокружении, позволяющие настраивать собственные технические свойства в ответ на эти сигналы.
Все больше данных свидетельствуют о том, что изменение вязкоупругости клеток является сильным индикатором состояния заболевания, включая рак, ламинопатию (генетические нарушения ядерной пластинки), инфекцию и старение.
В этой статье мы рассмотрим, последние исследования по определению характеристик клеточной механики в заболеваниях, и выясним последствия изменения вязкоупругости в регуляции иммунного ответа. Кроме того, приведем обзор средств, используемых для измерения механических характеристик клеток, глубоко укоренившихся в тканях.
Механическая деформируемость цитоплазмы клеток, является важнейшим клеточным свойством, связанным с важными клеточными и субклеточными процессами.
Например, во время заживления раны, мигрирующие клетки на краю раны значительно повышают жесткость цитоплазмы, позволяя дендритным узлам из нити актина (F-актина) создавать сетчатые выступающие силы против плазменной мембраны.
Внутриклеточная вязкость конуса роста, также регулирует аксональное удлинение нейронов. Эти исследования,подчеркивают сложную, динамическую и анизотропную природу клеток, которые должны реагировать как в пространстве, так и во времени на биохимические, и биофизические сигналы клеточного микроокружения для сохранения, дифференцировки и миграции.
Изменения механических свойств клеток, часто коррелируют с такими заболеваниями, как рак, инфекция и ламинопатия (генетические нарушения, вызванные мутациями в генах ядерного ламина LMNA). Более того, эмбриональные фибробласты, полученные из мышиных моделей прогрерии (преждевременного старения) и мышечной дистрофии, демонстрируют значительно более уступчивую (т.е. более деформируемую) цитоплазму, чем контроль. Эти клетки, также проявляют слабую сопротивляемость сдвиговым силам, и снижают способность мигрировать во время заживления ран.
При здоровом старении, цитоплазма кожных фибробластов человека застывает, что сопровождается значительным увеличением тяговых сил, воздействующих на окружающую матрицу.
Реология - это исследование того, как материалы деформируются под действием силы (напряжения).
В клеточной механике, стресс генерируется изнутри цитоскелетными сокращениями, или извне гемодинамическим и интерстициальным потоком, или взаимодействием с соседними клетками и тканями. Напряжение указывается в единицах силы на единицу площади. Взаимосвязь между напряжением и деформацией в типичных упругих, вязких и вязкоупругих материалах.
Известно, что цитоплазма клеток млекопитающих проявляет вязкоупругое поведение.
Роль клеточной механики в заболеваниях человека.
За последние несколько десятилетий, большое количество исследований показало, что изменения в клеточной и ядерной механике, могут быть признаками заболеваний человека, особенно метастатического рака, сердечно-сосудистых заболеваний, воспаления, ламинопатий, взаимодействия микробов-хозяев, при инфекционных заболеваниях и слабости в процессе старения. Выделяя некоторые важные результаты, которые связывают клеточную механику с болезнями человека и старением.
Вязкоупругость клеток при раке.
Для возникновения метастатического рака эпителиального происхождения (или карциномы), опухолевые клетки должны проникать и мигрировать через стромальную матрицу, через эндотелий кровеносных сосудов, выживать при сдвиге сил кровотока, успешно прикрепляться к стенкам сосудов, колонизировать дистальный участок и быть восстановленными после бездействия, избегая при этом иммунного наблюдения. Способность раковых клеток к успеху на каждом из этих этапов, и продвижению к образованию и росту вторичной опухоли, частично зависит от физических взаимодействий и механических сил между раковыми клетками и микроокружением.
Вязкоупругость клеток в иммунологическом понятии.
Изучены биофизические свойства молекулярного уровня в контексте активации иммунных клеток. Знание этих свойств, было использовано, для терапевтического проектирования. Однако клеточная механика, в значительной степени игнорируется, в контексте иммунной системы. Несколько исследований показали, что иммунные клетки способны чувствовать и реагировать на физические свойства окружающей среды, или клетки-мишени. В целом, эти исследования показали, что в иммунных клетках, существуют встроенные программы механического ответа, которые позволяют им реагировать на механические сигналы межклеточных клеток и микроокружения.