Mecanotransdução, Mecanoterapia, Mecanobiologia ou Tração Cíclica

A mecanotransdução descreve a capacidade de uma célula de detectar, integrar e converter ativamente estímulos mecânicos em sinais bioquímicos que resultam em alterações intracelulares.

A mecanotransdução é o processo pelo qual as forças físicas são detectadas e convertidas em sinais bioquímicos e elétricos que resultam em respostas celulares . A descoberta e elucidação das várias vias moleculares envolvidas neste processo revolucionaram a compreensão fundamental e clínica da formação e subsequente desenvolvimento de tecidos e órgãos. As vias de mecanosinalização que participam da formação e crescimento dos tecidos incluem o fator transformador de crescimento. Durante o desenvolvimento do tecido, essas vias de mecanosinalização celular interagem ativamente com a mecanotransdução. Uma melhor compreensão dessas interações será útil para o campo da engenharia de tecidos e pode facilitar o desenvolvimento de intervenções farmacológicas que podem induzir a formação e desenvolvimento de tecidos e órgãos.

A mecanotransdução influencia muitos aspectos da função biológica. No sistema cardiovascular, a mecanotransdução tem um impacto significativo na função vascular. Múltiplas vias de transdução de sinal participam da transmissão de forças biomecânicas em sinais celulares, incluindo integrinas , moléculas de adesão, citoesqueleto e ativação de transportadores ligados à membrana e canais iônicos. sciencedirect.com

Mecanobiologia e Mecanoterapia na Engenharia de Tecidos

A estrutura 3-D dos organismos vivos é influenciada por vários fatores físicos, incluindo gravidade, pressão atmosférica e pressão da água. Essas forças mecânicas constantes e aparentemente banais são, de fato, essenciais para formar, manter e alterar as estruturas e funções dinâmicas de nossas células, tecidos e órgãos. “Mecanobiologia” é o estudo das cascatas moleculares e respostas celulares que são desencadeadas por forças mecânicas. Uma compreensão mais abrangente e melhorada da mecanobiologia pode facilitar muito o desenvolvimento de novas terapias que agem controlando as forças mecânicas e, assim, induzem especificamente a formação, alterações ou reparos moleculares, celulares, de tecidos e/ou órgãos desejados. Nós denotamos essas terapias como “mecanoterapias”. sciencedirect.com

O papel do citoesqueleto de actina na mecanossensação

As células são capazes de detectar estímulos mecânicos e traduzi-los em sinais bioquímicos. Essa capacidade permite que as células se adaptem ao seu ambiente físico, remodelando seu citoesqueleto, ativando várias vias de sinalização e alterando sua expressão gênica. Esses fenômenos envolvem dois processos essenciais – mecanosensoriamento e mecanotransdução. Nesses processos, a força ou deformação precisa ser transmitida do ambiente externo para as proteínas e organelas dentro da célula. O citoesqueleto de actina composto por filamentos de actina, motores de miosina e proteínas de reticulação de actina desempenha um papel crítico na propagação de força e em resposta a deformações. A adaptação celular a essas deformações é frequentemente associada a loops de feedback, e proteínas no citoesqueleto de actina se acumulam e funcionam cooperativamente em resposta a estímulos mecânicos. springer.com

Mecanotransdução e Mecanoterapia

As células se comunicam mecanicamente com seu microambiente local, ou nicho, e essas interações orientam os processos de desenvolvimento, direcionam o destino celular, regulam o desenvolvimento dos tecidos e estão implicadas na progressão de várias doenças. Nossa hipótese é que sinais mecânicos podem ser usados ​​para alterar a progressão da doença e promover diretamente a regeneração. Essa ideia está sendo estudada no laboratório em vários níveis. No nível mais básico, estamos estudando como os sinais mecânicos aplicados externamente ou a mecânica do microambiente celular são detectados pelas células e transferidos intracelularmente. Em um nível mais aplicado, estamos investigando como os efeitos da mecânica no destino ou fenótipo celular podem ser explorados em aplicações terapêuticas.

Estamos investigando os mecanismos pelos quais as forças mecânicas e a mecânica do microambiente celular são percebidas e como elas são convertidas em sinais bioquímicos. Estamos explorando essa questão em uma variedade de campos, incluindo diferenciação de células-tronco e malignidade do câncer, além de entender a interseção com respostas imunes e imunoterapias (consulte Imunoterapia e imunoengenhariaseção). Estamos tentando entender a sensibilidade de cada processo às forças mecânicas externas, a rigidez do substrato de adesão em diferentes comprimentos e escalas de tempo e a dimensionalidade da cultura (ou seja, 2D vs 3D). Do lado mecanístico, estamos tentando identificar componentes moleculares individuais ou vias de sinalização que são importantes na mediação dessa capacidade de resposta, com foco particular no papel do citoesqueleto e das integrinas. harvard.edu

O estiramento mecânico induz a regeneração do cabelo através da ativação alternativa de macrófagos

Tecidos e células no organismo são continuamente expostos a sinais mecânicos complexos do ambiente. Os estímulos mecânicos afetam a proliferação, diferenciação e migração celular, bem como determinam a homeostase e o reparo tecidual. Ao usar um dispositivo especialmente projetado para alongar a pele, descobrimos que as células-tronco do cabelo proliferam em resposta ao alongamento e a regeneração do cabelo ocorre apenas quando se aplica tensão adequada por um período apropriado.

A regeneração induzida pelo estiramento é dependente da tensão/duração

Para avaliar como o alongamento mecânico afeta os folículos pilosos, foi usado um dispositivo de alongamento de pele especialmente projetado que pode ser fixado na pele do dorso para criar alongamento programável. Camundongos de oito semanas de idade foram usados ​​para observar alterações no ciclo do cabelo em resposta ao alongamento quando seus cabelos eram mantidos na fase telógena fisiológica. Duas variáveis ​​específicas, tensão e duração do alongamento, foram controladas para parametrizar a eficácia da iniciação anágena e crescimento do cabelo. No primeiro conjunto de experimentos, a pele foi esticada por 7 dias com diferentes deformações iniciais (0, 20, 33 e 40%). Quando a tensão atingiu 33% ou mais, a regeneração do cabelo foi induzida em toda a área de alongamento. Por outro lado, os folículos pilosos permaneceram em fase telógena ou de repouso quando a tensão foi inferior a 20%. Esses resultados demonstraram o papel vital da tensão no controle do ciclo capilar.

Em seguida, determinamos se a duração do alongamento afeta a ativação das células-tronco do cabelo. A mesma tensão inicial de 33% foi aplicada por diferentes durações (5, 7 e 10 dias), e três respostas diferentes foram observadas. Quando a cepa foi aplicada por apenas 5 dias, não ocorreu regeneração capilar. Quando a duração do alongamento foi de 10 dias, o crescimento do cabelo foi observado apenas na região periférica. No entanto, quando a tensão foi aplicada por 7 dias, a iniciação anágena e o crescimento do cabelo foram observados uniformemente em toda a área de alongamento. Consequentemente, esta condição de alongamento (tensão de 33% com duração de 7 dias) foi determinada como a condição ideal para induzir a regeneração capilar . Para validar ainda mais esse achado, o parâmetro ideal foi aplicado durante o período telógeno sincronizado. Em outras palavras, toda a pele das costas foi depilada para induzir a iniciação anágena simultânea. Após o desenvolvimento completo da fase anágena, a pele entrou em um estado homogêneo, ou fase telógena sincronizada, e então foi esticada sob esta condição. Notavelmente, a regeneração do cabelo ocorreu de forma tão eficiente quanto em camundongos cuja pele foi esticada durante a fase telógena fisiológica (Suplementar Fig. 2d ). Considerados em conjunto, esses resultados sugerem que a tensão e a duração regulam cooperativamente a transição de telógeno para anágeno. nature.com