ΜΑΘΗΜΑ ETY-494

«ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ»

Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Θετικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης

Δρ. Γεώργιος Βλαστός (E-mail: vlastos@materials.uoc.gr)

Ιστοσελίδα Μαθήματος: http://www.materials.uoc.gr/courses/ETY494

ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ- Μετάδοση Μηχανικού Σήματος στο Κύτταρο

ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΤΟΥ ΡΟΛΟΥ ΤΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΤΟΥ ΡΟΛΟΥ ΤΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

Η γνώση έγκαιρη ασθενειών και ανάπτυξη τεχνολογιών υγείας απαιτεί την διεπιστημονική κατανόηση των μηχανικών και χημικών γεγονότων που λαμβάνουν χώρα στο κύτταρο.

Η ανάπτυξη και η επιτυχής ενσωμάτωση τεχνητών οργάνων, προϋποθέτει γνώση της σχέσης μεταξύ βιοχημικών μονοπατιών, μηχανικών φορτίων, δομής του ιστού και κανονικής λειτουργίας του.

Δεν έχει μόνο σημασία η μέτρηση της δομής και κανονικής λειτουργίας των ιστών και κυττάρων, αλλά και η κατανόηση της σχέσης μεταξύ των εξωτερικά εφαρμοζόμενων μηχανικών δυνάμεων στο κύτταρο και τις από αυτές απορρέουσες αλλλαγές στην έκφραση των γονιδίων και την πρωτεϊνική σύνθεση.

2

ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΜΕΤΑΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ(CELL MECHANOTRANSDUCTION OR MECHANOSENSING)(CELL MECHANOTRANSDUCTION OR MECHANOSENSING)

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί έρχονται σε επαφή με μηχανικές δυνάμεις, από τις δυνάμεις ροής γύρω από ένα βακτήριο μέχρι τις ισχυρές δυνάμεις που ασκούνται στο ανθρώπινο γόνατο κατά το ανέβασμα μιάς σκάλας.

Η μελέτη της μετάδοσης του μηχανικού σήματος στο κύτταρο ασχολείται με τη διαδικασία της μετατροπής των φυσικών δυνάμεων σε βιοχημικό σήμα και την ενσωμάτωση αυτών των σημάτων στην αντίδραση του κυττάρου.

Στους σπονδυλωτούς οργανισμούς έχει αναπτυχθεί η ικανότητα προσαρμογής στη δύναμη της βαρύτητας εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια.

Ουσιαστικά πρόκειται γιά φαινόμενο μεταφορά ενέργειας, δηλ. η μηχανική ενέργεια γίνεται αισθητή από το κύτταρο και μετατρέπεται σε χημική ενέργεια.

3

ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΚΑΙ ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟΣΕ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΚΑΙ ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ

Φαίνεται ότι υπάρχουν μιά σειρά από αισθητήριους μηχανισμούς και τοποθεσίες μέσα στο κύτταρο, όπου οι δυνάμεις μπορούν να μετατρέπονται από μηχανικό σε βιοχημικό σήμα.

Παρά την προφανή πολυπλοκότητα, είναι πιθανό ότι κύτταρα που διεγείρονται με διαφορετικούς τρόπους, ενεργοποιούνται από παρόμοιους μηχανισμούς σε μοριακό επίπεδο.

4

ΠΩΣ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΜΕΤΡΗΘΟΥΝ ΟΙ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ ΠΩΣ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΜΕΤΡΗΘΟΥΝ ΟΙ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ;ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ;

Οι μηχανικές δυνάμεις στο κύτταρο μπορούν να μετρηθούν με δύο προσεγγίσεις:

Την προσέγγιση του συνεχούς μέσου (continuum approach), όπου αγνοούνται οι λεπτομέρεις της μικροδομής και οι μεταδιδόμενες δυνάμεις περιγράφονται με μακροσκοπικές τάσεις παίρνοντας τις μέσες τιμές. Αυτή η προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε καθιερωμένους τρόπους ανάλυσης που γνωρίζουμε από παραδοσιακά υλικά. Έχει σαν μειονέκτημα ότι δεν λαμβάνεται υπ’όψη ο καθαρά βιολογικός χαρακτήρας του κυττάρου, όπως επίσης ότι γίνονται απλουστεύσεις στους υπολογισμούς.

Την μικροδομική προσέγγιση (microstructural approach), με απευθείας μετρήσεις της κατανομής των δυνάμεων στο κύτταρο, χρησιμοποιώντας προχωρημένες μικροτεχνικές, όπως μαγνητική κυτταρομετρία.

5

ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΚΑΙ ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΚΑΙ ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ

Για να κατανοήσουμε την μοριακή βάση της μετάδοσης του μηχανικού σήματος στο κύτταρο απαιτείται να γνωρίζουμε το μέγεθος και την κατανομή των δυνάμεων πάνω στο κύτταρο σε μοριακό επίπεδο.

Προς το παρόν, μόνο σε λίγες περιπτώσεις είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε το μέγεθος αυτών των δυνάμεων.

Μπορούμε όμως να αναλύσουμε τους μηχανισμούς μέσω των οποίων μια δύναμη μεταδίδεται στο κύτταρο και να χρησιμοποιήσουμε αυτό σαν βάση γιά υποθέσεις σχετικά με τους μοριακούς μηχανισμούς μετάδοσης του μηχανικού σήματος.

Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφοροι τρόποι μηχανικής διέγερσης του κυττάρου και οι αντιδράσεις του κυττάρου σε αυτές ήταν πολύπλευρες και διαφορετικές.

6

ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΣΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΣΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Είδος συστήματος Κλίμακα σε m

Πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα 10-8

Οργανέλλες 10-7

Κύτταρα 10-5 με 10-6

Διαστήματα τριχοειδών 10-4

Όργανα 10-1

Σώμα 100

7

ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΠΟΥ ΑΣΚΟΥΝΤΑΙ ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΠΟΥ ΑΣΚΟΥΝΤΑΙ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

Στην περίπτωση της διατμητικής ροής (fluid shear stress) το κρίσιμο μέγεθος της τάσης για κυτταρικές αντιδράσεις έχει παρατηρηθεί ότι είναι της τάξης του ≈ 1Pa.

Αν ληφθεί υπ’ όψη η συνολική επιφάνεια του κυττάρου (≈1000 μm2), τότε έχουμε μια συνολική δύναμη της τάξης του 1nΝ.

Αν ληφθεί υπ’ όψη το υπόστρωμα πάνω στο οποίο είναι τα κύτταρα π.χ φιμπρονεκτίνη, έχει υπολογιστεί ότι η μέση τάση επαφής ανέρχεται σε 5.5 nN/μm2 (5.5x103 Pa).

Οι δυνάμεις που απαιτούνται γιά να προκαλέσουν διάρρηξη σε δεσμούς πρωτεϊνών με κυτταρικές ιντεγκρίνες όπως στην περίπτωση του δεσμού φιμπρονεκτίνης/ιντεγκρίνης, είναι της τάξης των 30-100 pN.

8

ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΟΝΤΑΙ ΟΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟ ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΟΝΤΑΙ ΟΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ;ΚΥΤΤΑΡΟ;

Συζήτηση γιά την τοπολογία των μηχανικών αισθητήρων στο κύτταρο

Συγκεντρωτικό μοντέλο:Η απόκριση στη μηχανική διέγερση λαμβάνει χώρα στην περιοχή της κυτταρικής μεμβράνης.

Αποκεντρωμένο μοντέλο:Σε αυτό οι δυνάμεις που ασκούνται στην επιφάνεια του κυττάρου μεταδίδονται σε διαφορετικές τοποθεσίες μέσω του κυτταρικού σκελετού.

9

ΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

Πρωτεϊνικές Κινάσες (Protein Kinases)

Οι κινάσες είναι υποδοχείς στην μεμβράνη του κυττάρου. Ειδικότερα οι κινάσες του υποδοχέα της τυροσίνης (Receptor Tyrosine Kinases, RTK) έχουν εμπλακεί στη μετάδοση του μηχανικού σήματος στα ενδοθηλιακά κύτταρα.

Μέσω της φωσφορυλίωσή τους μετά από μηχανική διέγερση, ενεργοποιείται το κάτω μονοπάτι Ras-JNK.

Το ενδοθηλιακό κύτταρο αποτελεί ένα καλά μελετημένο τύπο κυττάρου λόγω της θέσης του στο εσωτερικό τοίχωμα των αγγείων, όπου αισθάνεται άμεσα την μηχανική δύναμη λόγω της ροής του αίματος.

10

ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΝΔΟΘΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΥΠΟΚΕΙΝΤΑΙ ΣΕ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΝΔΟΘΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΥΠΟΚΕΙΝΤΑΙ ΣΕ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗ

Shear stress Membrane

Cytoplasm

Nucleus

Focal adhesion siteIntegrins 3

Extracellular matrix

ShcGrb2 •Sos

Grb2 •SosShc

RTKs (e.g. Flk-1)

RasJNK

ERKAP-1

TRE

MCP-1

Chen et al. JBC 1999;274:18393-18400

11

ΧΡΟΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΕΚΦΡΑΣΗ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΧΡΟΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΕΚΦΡΑΣΗ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΝΔΟΘΗΛΙΑΚΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΝΔΟΘΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΥΠΟΚΕΙΝΤΑΙ ΣΕ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΥΠΟΚΕΙΝΤΑΙ ΣΕ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗ

Chien et al. Hypertension 1998;31:162-169

Basal activity

Maximum activation

Act

ivat

ion

60 120 180 240min

0

MCP-1 mRNAc-fos mRNA

Gene expression

Act

iva

tio

n

30 60min

Ras

ERK

JNK

Basal activity

Maximum activation

Signal transduction

0

12

ΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

Ιντεγκρίνες της κυτταρικής μεμβράνης (membrane integrins and focal adhesions)

Οι ιντεγκρίνες είναι διαμεμβρανικοί υποδοχείς που βρίσκονται από την μεριά του εξωκυτταρικού χιτώνα (extracellular matrix, ECM).

Οι ιντεγκρίνες συνδέουν τις εσωτερικές κυτοσκελετικές πρωτεΐνες με τις πρωτεΐνες του εξωκυτταρικού περιβλήματος, ώστε να διασφαλιστεί η αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ του κυττάρου και του εξωκυτταρικού περιβλήματος του.

Υπάρχουν πάνω από 20 τύποι ιντεγκρινών, κάθε μία των οποίων αποτελείται από δύο υποομάδες α και β.

13

ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ AAΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ

14

A: Cell-cell and cell-matrix interactions are transmitted to the internal cellular structures such as the cytoskeletal components. Transmembrane proteins include mechanosensitive ion channels (green) and signaling molecules such as integrins (blue), which form focal adhesions (in black box) against the extracellular matrix (brown fibers at top). Some pathways of mechanotransducedsignals lead to gene activation at the nucleus (large brown ellipsoid) via nuclear junctions (nj; gray spheres). Pathways can also involve cell-cell junctions (ccj; yellow). Area inside the black box surrounding the top three integrins represents the area of detail in B, but note that the cytoskeletal fibers shown here are not meant to be identical to those shown in B.

B: protein interactions link the external mechanical environment to the cellular cytoskeleton. Clusters of integrins (blue) form focal adhesions, which play a vital role in mechanotransduction.

FN, fibronectin; and : - and -integrin dimer subunits; TEN, tensin; FAK, focal adhesion kinase; VIN, vinculin; PAX, paxillin; FIM, fimbrin; TAL, talin; ERM, ezrin-radixin-moesin proteins. Image is not drawn to scale.

Huang et al. Am J Physiol Cell Physiol 287:C1-C11, 2004

ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΝΔΟΘΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΥΠΟΚΕΙΝΤΑΙ ΣΕ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗΣΕ ΕΝΔΟΘΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΟΥ ΥΠΟΚΕΙΝΤΑΙ ΣΕ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗ

Shear stress Membrane

Cytoplasm

Nucleus

Focal adhesion siteIntegrins 3

Extracellular matrix

ShcGrb2 •Sos

Grb2 •SosShc

RTKs (e.g. Flk-1)

RasJNK

ERKAP-1

TRE

MCP-1

Chen et al. JBC 1999;274:18393-18400

15

ΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΙονικά κανάλια (Ion Channels)

Τα ιονικά κανάλια (όπως τα κανάλια Κ+ και Ca2+) βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη και μετατρέπουν το μηχανικό σήμα σε ηλεκτρικό.

16

Cartoon depicting the flow of blood through an artery where an area of endothelial cells has sustained injury. Under these conditions smooth muscle cells become directly exposed to the flowing blood and the resulting shear stress on the smooth muscle cell would stimulate the translocation of melastatin-related transient receptor potential (TRPM7) channels from vesicular structures in the cell to the plasma membrane, resulting in increased channel activity and increased entry of Ca2+ and Mg2+ through the channels. (From: Circulation Research 98:163, 2006)

ΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΜΗΧΑΝΟΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟTensegrity model of mechanotransduction

Σε αυτό το μοντέλο προτείνεται ότι η ασκούμενη τάση στην επιφάνεια του κυττάρου μεταδίδεται στο κύτταρο μέσω του κυτταρικού σκελετού (cytoskeleton). Ο όρος tensegrity προέρχεται από τον αρχιτέκτονα R. Buckminster Fuller που περιέγραψε την δομική ακαμψία υλικών με όρους γεωδεσίας. Το μοντέλο αυτό περιγράφει την μετάδοση των μηχανικών δυνάμεων από το ένα μέρος του κυττάρου στο άλλο.

Για επισκόπηση του μοντέλου αυτού βλ. τα άρθρα:

Ingber DE, Journal of Cell Science 116, 1157-1173, 2003 και

Ingber DE, Journal of Cell Science 116, 1397-1408, 2003

17

Simplified Tensegrity Model

The combination of struts in compression and elastic fibers in tension keep the overall structure stable.

TENSEGRITY MODEL OF MECHANOTRANSDUCTIONTENSEGRITY MODEL OF MECHANOTRANSDUCTION

Sequential images (left to right) from computer simulations of multimodular tensegrities (A,C) or from time-lapse video recording of living cells (B,D). (A) Structural rearrangements within a prestressed tensegrity lattice immediately following release of its anchors (at the top and bottom of the view). Note that the material simultaneously retracts throughout its entire depth. (B) When the ECM adhesions of a spread, adherent cell are dislodged using trypsin, the cell, cytoplasm and nucleus all simultaneously retract as the cell rounds (left to right). (C) A prestressed tensegrity fabric created from 36 interconnected tensegrity modules of the type shown in Fig. 1B that experiences a distending force at the top right corner; the other three corners are fixed. Notice that the entire material responds to the local force and that it exhibits undulating motion. (D) Undulating motion of a lamellipodium in a living cell. From: Ingber DE, Journal of Cell Science 116, 1157-1173, 2003

18

ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

ΣΕ ΟΜΑΔΑ ΚΥΤΤΑΡΩΝ:

Τέντωμα μεμβράνης (membrane stretching)

Διατμητική τάση (shear stress) Άλλες τεχνικές, π.χ. αλλλαγές

στην υδροστατική πίεση, υπέρηχος, κ.λ.π.

ΣΕ ΜΕΜΟΝΩΜΕΝΟ ΚΥΤΤΑΡΟ:

Laser optical traps Εφαρμογή μαγνητικής δύναμης Μαγνητική περιστροφή

(magnetic twisting) Ατομική μικροσκοπία δύναμης

(AFM) Micropipette aspiration Άλλες τεχνικές, όπως cell

squezing

19

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΓΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΓΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΖΩΝΤΑΝΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΖΩΝΤΑΝΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ

20

a, b, Ατομική μικροσκοπία δύναμης (atomic force microscopy, AFM) (a) και μαγνητική στροφική κυτταρομετρία (magnetic twisting cytometry , MTC) (b). Οι τεχνικές (a) and (b) μπορούν να μετρήσουν κυτταρικά μέρη με μιά ανάλυση δύναμης των 10-10 και 10-12 N αντίστοιχα και μιά ανάλυση εκτοπίσματος τουλάχιστον 1 nm.

c, d, Οι τεχνικές της αναρρόφησης μικροπιπέτας (micropipette aspiration, MA) (c) και της οπτικής παγίδευσης (optical trapping) (d) μπορούν να παραμορφώσουν ολόκληρο το κύτταρο με μιά ανάλυση δύναμης των 10−10 και 10−11 N, αντίστοιχα.

e, f, Η διατμητική ροή (shear flow) (e) και το τέντωμα υποστρώματος (substrate stretching) (f) μπορούν να αποτιμήσουν την μηχανική αντίδραση ενός κυτταρικού πληθυσμού

Bao and Suresh. Nature Materials 2:715-725, 2003

ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΕ ΚΥΤΤΑΡΑ ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΕ ΚΥΤΤΑΡΑ ΚΑΛΛΙΕΡΓΗΜΕΝΑ ΠΑΝΩ ΣΕ ΕΥΕΛΙΚΤΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣΚΑΛΛΙΕΡΓΗΜΕΝΑ ΠΑΝΩ ΣΕ ΕΥΕΛΙΚΤΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ

21

Schaffer et al., 1994

Device for the Application of a Dynamic Biaxially Uniform and Isotropic Strain to a Flexible Cell Culture Membrane

Cross section of the cell deformation device through three of the six indenter platens and culture wells. The cassette, shown removed from the device, is holding flexible-bottomed culture dish inserts. As an alternative to culture dish inserts, the flexible membrane was held clamped between the two polysulfone plates. When the platens are at the lowest position and the cassette is properly seated in the device, the membrane contacts the platen. The cooling fan and controlers used to operate the motors are not shown.

ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΚΘΕΣΗΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΣΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟΣΥΣΤΗΜΑ ΕΚΘΕΣΗΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΣΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟMAGNETIC FIELD EXPOSURE SYSTEMMAGNETIC FIELD EXPOSURE SYSTEM

Novel apparatus for studying cell mechanotransduction.

Uniform magnetic field generates downward cyclic force on ferromagnetic beads incubated for 10-12 hours.

Study precise range of force, frequency and exposure times.

Explore mechanisms of cell signaling by coating the beads with ECM proteins or antibodies.

22

MAGNETIC FIELD EXPOSURE SYSTEMMAGNETIC FIELD EXPOSURE SYSTEM

Force

Iron corecoil

Ferromagneticbeads

Glass slide withVSMCs and ferromagnetic beads

23Guest et al. Antioxid. Redox Signal. 8, 1461–1471, 2006

VASCULAR SMOOTH MUSCLE CELLS AFTER EXPOSURE TO VASCULAR SMOOTH MUSCLE CELLS AFTER EXPOSURE TO MAGNETIC FIELD STAINED WITH DHE FOR SUPEROXIDE MAGNETIC FIELD STAINED WITH DHE FOR SUPEROXIDE DETECTIONDETECTION(Freq. 1 Hz, maximum force 2.57 pN/cell)(Freq. 1 Hz, maximum force 2.57 pN/cell)

5 min

CELLS WITH MAGNETIC BEADS

3 min

CONTROL CELLS WITH NO MAGNETIC BEADS

50 m

24

Guest et al. Antioxid. Redox Signal. 8, 1461–1471, 2006

Beads coatedwith 3 antibody

Beads coatedwith Fibronectin

VASCULAR SMOOTH MUSCLE CELLS INCUBATED WITH VASCULAR SMOOTH MUSCLE CELLS INCUBATED WITH FERROMAGNETIC BEADS AND STAINED WITH DHE FOR FERROMAGNETIC BEADS AND STAINED WITH DHE FOR SUPEROXIDE DETECTIONSUPEROXIDE DETECTION

MAGNETICFIELD

2.57 pN/cell1 Hz, 5 min

NO MAGNETICFIELD

No beads

50 mm

25

ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΠΤΙΚΗΣ ΠΑΓΙΔΕΥΣΗΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝΣΥΣΤΗΜΑ ΟΠΤΙΚΗΣ ΠΑΓΙΔΕΥΣΗΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝOPTICAL TRAPPINGOPTICAL TRAPPING

26

Huang et al. Am J Physiol Cell Physiol 287:C1-C11, 2004

Optical trapping can be used to apply strains at low forces (10 pN) to adhesive molecules attached to the trapped bead. Direct force application of beads attached to cells is also possible. For large beads, the force is generated by refraction of the laser coupled with the lower intensity of the beam near the edges.

ΤΑΙΝΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΤΑΙΝΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΕΝΟΣ ΝΕΥΡΟΝΙΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΝΟΣ ΝΕΥΡΟΝΙΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LAZER LAZER TWEEZERSTWEEZERS

27

Steven Block, Stanford University

ΑΤΟΜΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΔΥΝΑΜΗΣΑΤΟΜΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΔΥΝΑΜΗΣATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM)ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM)

Atomic force microscopy determines the deformation of a substrate by reflecting a laser off the cantilever. The detector is positioned so that when the cantilever is unstressed (A), the beam is in a neutral position. When the substrate is probed, the cantilever flexes (B) and the new beam reflection alters the position of the beam spot on the detector. By determining the bending of the cantilever using the beam spot information, it is possible to determine the local surface and underlying material properties with the use of appropriate models.

28

Huang et al. Am J Physiol Cell Physiol 287:C1-C11, 2004

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ

Το επιστημονικό πεδίο μεταξύ της Βιολογίας και της Βιοϊατρικής Μηχανικής είναι σχετικά νέο.

Τώρα αρχίζουμε να αναπτύσσουμε τα εργαλεία εκείνα που θα μας επιτρέψουν να μετρήσουμε με ακρίβεια τις μηχανικές δυνάμεις που ασκούνται στα κύτταρα.

Είναι ακόμα ανοικτή η απάντηση στο ερώτημα πώς η μηχανική δύναμη μετατρέπεται σε βιοχημικό σήμα στους βιολογικούς οργανισμούς.

Τα μέχρι τώρα επιστημονικά δεδομένα συνηγορούν ότι τα κύτταρα χρησιμοποιεί πολλά διαφορετικά μονοπάτια μετάδοσης και ότι ένα συγκεκριμένο μονοπάτι κυριαρχεί ανάλογα την περίσταση.

29