stringtranslate.com

Mecanotransducción

En biología celular , la mecanotransducción ( mecano + transducción ) es cualquiera de los diversos mecanismos por los cuales las células convierten el estímulo mecánico en actividad electroquímica . [1] [2] [3] [4] Esta forma de transducción sensorial es responsable de varios sentidos y procesos fisiológicos en el cuerpo, incluidos la propiocepción , el tacto , [5] el equilibrio y la audición . [6] [7] [8] El mecanismo básico de la mecanotransducción implica convertir señales mecánicas en señales eléctricas o químicas .

Algunas máquinas biológicas

En este proceso, un canal iónico controlado mecánicamente permite que el sonido, la presión o el movimiento provoquen un cambio en la excitabilidad de las células sensoriales especializadas y las neuronas sensoriales . [9] La estimulación de un mecanorreceptor hace que los canales iónicos mecánicamente sensibles se abran y produzcan una corriente de transducción que cambia el potencial de membrana de la célula. [10] Normalmente, el estímulo mecánico se filtra en el medio de transporte antes de llegar al sitio de mecanotransducción. [11] Las respuestas celulares a la mecanotransducción son variables y dan lugar a una variedad de cambios y sensaciones. Las cuestiones más amplias involucradas incluyen la biomecánica molecular .

Los estudios de biomecánica de moléculas individuales de proteínas y ADN, y el acoplamiento mecanoquímico en motores moleculares han demostrado la importancia crítica de la mecánica molecular como una nueva frontera en la bioingeniería y las ciencias de la vida. Los dominios proteicos, conectados por dominios de enlace flexibles intrínsecamente desordenados, inducen alosterio de largo alcance a través de la dinámica del dominio proteico . Los modos dinámicos resultantes no se pueden predecir de manera general a partir de las estructuras estáticas de la proteína completa o de los dominios individuales. Sin embargo, se pueden inferir comparando diferentes estructuras de una proteína (como en la Base de datos de movimientos moleculares ). También se pueden sugerir mediante el muestreo en trayectorias de dinámica molecular extensas [12] y análisis de componentes principales, [13] o se pueden observar directamente utilizando espectros [14] [15] medidos por espectroscopia de eco de espín de neutrones . Los hallazgos actuales indican que el canal de mecanotransducción en las células ciliadas es una máquina biológica compleja . La mecanotransducción también incluye el uso de energía química para realizar trabajo mecánico. [16]

Oreja

Los cambios de presión del aire en el canal auditivo provocan las vibraciones de la membrana timpánica y los huesecillos del oído medio . Al final de la cadena osicular, el movimiento de la placa del estribo dentro de la ventana oval de la cóclea genera un campo de presión dentro de los fluidos cocleares, impartiendo un diferencial de presión a través de la membrana basilar . Una onda de presión sinusoidal produce vibraciones localizadas del órgano de Corti : cerca de la base para frecuencias altas, cerca del ápice para frecuencias bajas. [17] Las células ciliadas de la cóclea se estimulan cuando la membrana basilar se mueve hacia arriba y hacia abajo por las diferencias en la presión del fluido entre la rampa vestibular y la rampa timpánica . Este movimiento va acompañado de un movimiento de cizallamiento entre la membrana tectorial y la lámina reticular del órgano de Corti, lo que hace que los haces de pelos que unen a los dos se desvíen, iniciando la transducción mecanoeléctrica. Cuando la membrana basilar se desplaza hacia arriba, la fuerza de cizallamiento entre las células pilosas y la membrana tectorial desvía los haces pilosos en la dirección excitatoria, hacia su borde alto. En el punto medio de una oscilación, los haces pilosos recuperan su posición de reposo. Cuando la membrana basilar se desplaza hacia abajo, los haces pilosos se desplazan en la dirección inhibitoria. [18]

Músculo esquelético

Cuando se impone una deformación a un músculo, los cambios en las conformaciones celulares y moleculares vinculan las fuerzas mecánicas con señales bioquímicas, y la estrecha integración de las señales mecánicas con la señalización eléctrica, metabólica y hormonal puede disfrazar el aspecto de la respuesta que es específica de las fuerzas mecánicas. [19]

Cartílago

Canal con compuerta mecánica

Una de las principales funciones mecánicas del cartílago articular es actuar como una superficie de baja fricción y que soporta cargas. Debido a su ubicación única en las superficies articulares, el cartílago articular experimenta una variedad de fuerzas estáticas y dinámicas que incluyen cizallamiento, compresión y tensión. Estas cargas mecánicas son absorbidas por la matriz extracelular del cartílago (MEC), donde posteriormente se disipan y se transmiten a los condrocitos (células del cartílago).

El cartílago experimenta fuerzas de tensión, compresión y cizallamiento in vivo

Los condrocitos detectan y convierten las señales mecánicas que reciben en señales bioquímicas, que posteriormente dirigen y median tanto los procesos anabólicos (construcción de la matriz) como los catabólicos (degradación de la matriz). Estos procesos incluyen la síntesis de proteínas de la matriz ( colágeno tipo II y proteoglicanos ), proteasas , inhibidores de proteasas, factores de transcripción , citocinas y factores de crecimiento . [20] [21]

El equilibrio que se logra entre los procesos anabólicos y catabólicos está fuertemente influenciado por el tipo de carga que experimenta el cartílago. Las altas tasas de deformación (como las que ocurren durante la carga de impacto) causan daño tisular, degradación, disminución de la producción de matriz y apoptosis . [22] [23] La disminución de la carga mecánica durante períodos prolongados, como durante el reposo en cama prolongado, causa una pérdida de producción de matriz. [24] Se ha demostrado que las cargas estáticas son perjudiciales para la biosíntesis [25] mientras que las cargas oscilatorias a bajas frecuencias (similares a las de una marcha normal) han demostrado ser beneficiosas para mantener la salud y aumentar la síntesis de matriz. [26] Debido a la complejidad de las condiciones de carga in vivo y la interacción de otros factores mecánicos y bioquímicos, la pregunta de cuál puede ser un régimen de carga óptimo o si existe uno permanece sin respuesta.

Aunque los estudios han demostrado que, como la mayoría de los tejidos biológicos, el cartílago es capaz de mecanotransducción, los mecanismos precisos por los que esto se lleva a cabo siguen siendo desconocidos. Sin embargo, existen algunas hipótesis que comienzan con la identificación de mecanorreceptores . [ cita requerida ]

Para que se puedan detectar señales mecánicas, es necesario que haya mecanorreceptores en la superficie de los condrocitos. Los candidatos a mecanorreceptores de los condrocitos incluyen los canales iónicos activados por estiramiento (SAC), [27] el receptor de hialuronano CD44 , la anexina V (un receptor de colágeno tipo II), [28] y los receptores de integrina (de los cuales existen varios tipos en los condrocitos).

Los mecanorreceptores de la superficie de los condrocitos incluyen CD44, anexina V e integrinas. Los componentes de la matriz extracelular de los condrocitos incluyen colágenos, proteoglicanos (que consisten en agrecano y ácido hialurónico), fibronectina y COMP.

Utilizando como ejemplo la vía de mecanotransducción ligada a la integrina (una de las vías mejor estudiadas), se ha demostrado que media la adhesión de los condrocitos a las superficies del cartílago, [29] media la señalización de supervivencia [30] y regula la producción y degradación de la matriz. [31]

Los receptores de integrina tienen un dominio extracelular que se une a las proteínas de la matriz extracelular (colágeno, fibronectina , laminina , vitronectina y osteopontina ) y un dominio citoplasmático que interactúa con las moléculas de señalización intracelular. Cuando un receptor de integrina se une a su ligando de la matriz extracelular y se activa, se agrupan integrinas adicionales alrededor del sitio activado. Además, las quinasas (p. ej., la quinasa de adhesión focal , FAK) y las proteínas adaptadoras (p. ej., paxilina , también conocida como Pax, talina , también conocida como Tal, y Shc ) se reclutan en este grupo, que se denomina complejo de adhesión focal (FAC). La activación de estas moléculas FAC, a su vez, desencadena eventos posteriores que regulan al alza y/o a la baja los procesos intracelulares, como la activación de factores de transcripción y la regulación génica, lo que da lugar a la apoptosis o la diferenciación. [ cita requerida ]

Además de unirse a los ligandos de la matriz extracelular, las integrinas también son receptivas a señales autocrinas y paracrinas, como los factores de crecimiento de la familia TGF-beta . Se ha demostrado que los condrocitos secretan TGF-b y regulan positivamente los receptores de TGF-b en respuesta a la estimulación mecánica; esta secreción puede ser un mecanismo de amplificación de señales autocrinas dentro del tejido. [32]

La señalización de integrinas es solo un ejemplo de las múltiples vías que se activan cuando se carga el cartílago. Algunos procesos intracelulares que se han observado que ocurren dentro de estas vías incluyen la fosforilación de ERK1/2, p38 MAPK y SAPK/ERK quinasa-1 (SEK-1) de la vía JNK [33] , así como cambios en los niveles de AMPc, reorganización de la actina y cambios en la expresión de genes que regulan el contenido de la matriz extracelular del cartílago. [34]

Estudios más recientes han planteado la hipótesis de que el cilio primario del condrocitos actúa como un mecanorreceptor para la célula, transduciendo fuerzas desde la matriz extracelular hacia la célula. Cada condrocito tiene un cilio y se plantea la hipótesis de que transmite señales mecánicas mediante la flexión en respuesta a la carga de la matriz extracelular. Se han identificado integrinas en el eje superior del cilio, que actúan como anclajes a la matriz de colágeno que lo rodea. [35] Estudios recientes publicados por Wann et al. en FASEB Journal han demostrado por primera vez que los cilios primarios son necesarios para la mecanotransducción de los condrocitos. Los condrocitos derivados de ratones mutantes IFT88 no expresaron cilios primarios y no mostraron la regulación ascendente mecanosensible característica de la síntesis de proteoglicanos observada en células de tipo salvaje [36].

Es importante examinar las vías de mecanotransducción en los condrocitos, ya que las condiciones de carga mecánica que representan una respuesta excesiva o perjudicial regulan positivamente la actividad sintética y aumentan las cascadas de señalización catabólica que involucran mediadores como el NO y las MMP. Además, los estudios de Chowdhury TT y Agarwal S han demostrado que la carga mecánica que representa condiciones de carga fisiológica bloqueará la producción de mediadores catabólicos (iNOS, COX-2, NO, PGE2) inducida por citocinas inflamatorias (IL-1) y restablecerá las actividades anabólicas. Por lo tanto, una mejor comprensión de la interacción de la biomecánica y la señalización celular ayudará a desarrollar métodos terapéuticos para bloquear los componentes catabólicos de la vía de mecanotransducción. Por lo tanto, una mejor comprensión de los niveles óptimos de fuerzas mecánicas in vivo es necesaria para mantener la salud y la viabilidad del cartílago; se pueden idear técnicas preventivas para la prevención de la degradación y la enfermedad del cartílago. [ cita requerida ]

Referencias

  1. ^ Biswas, Abhijit; Manivannan, M.; Srinivasan, Mandyam A. (2015). "Umbral de sensibilidad vibrotáctil: modelo de mecanotransducción estocástica no lineal del corpúsculo de Pacini". IEEE Transactions on Haptics . 8 (1): 102–113. doi :10.1109/TOH.2014.2369422. PMID  25398183. S2CID  15326972.
  2. ^ Katsumi, A.; Orr, A.; Tzima, E; Schwartz, MA (2003). "Integrinas en la mecanotransducción". Revista de química biológica . 279 (13): 12001–4. doi : 10.1074/jbc.R300038200 . PMID  14960578.
  3. ^ Qin, Y.; Qin, Y; Liu, J; Tanswell, AK; Post, M (1996). "La tensión mecánica induce la activación de pp60src y la translocación al citoesqueleto en células pulmonares fetales de rata". Journal of Biological Chemistry . 271 (12): 7066–71. doi : 10.1074/jbc.271.12.7066 . PMID  8636139.
  4. ^ Bidhendi, Amir J; Altartouri, Bara; Gosselin, Frédérick P.; Geitmann, Anja (2019). "El estrés mecánico inicia y sostiene la morfogénesis de las células epidérmicas de las hojas onduladas". Cell Reports . 28 (5): 1237–1250. doi : 10.1016/j.celrep.2019.07.006 . PMID  31365867.
  5. ^ Biswas, Abhijit; Manivannan, M.; Srinivasan, Mandyam A. (2014). "Modelo de mecanotransducción no lineal de dos etapas y respuesta neuronal del corpúsculo de Pacini". Conferencia del Centro de Ciencias e Ingeniería Biomédicas (BSEC), 2014 Annual Oak Ridge National Laboratory . EE. UU.: IEEE. págs. 1–4. doi :10.1109/BSEC.2014.6867740.
  6. ^ Tavernarakis, Nektarios; Driscoll, Monica (1997). "Modelado molecular de la mecanotransducción en el nematodo Caenorhabditis elegans". Revisión anual de fisiología . 59 : 659–89. doi :10.1146/annurev.physiol.59.1.659. PMID  9074782.
  7. ^ Howard, J; Roberts, WM; Hudspeth, AJ (1988). "Transducción mecanoeléctrica por células ciliadas". Revisión anual de biofísica y química biofísica . 17 : 99–124. doi :10.1146/annurev.bb.17.060188.000531. PMID  3293600.
  8. ^ Hackney, CM; Furness, DN (1995). "Mecanotransducción en células pilosas de vertebrados: Estructura y función del haz estereociliar". The American Journal of Physiology . 268 (1 Pt 1): C1–13. doi :10.1152/ajpcell.1995.268.1.C1. PMID  7840137.
  9. ^ Gillespie, Peter G.; Walker, Richard G. (2001). "Base molecular de la transducción mecanosensorial". Nature . 413 (6852): 194–202. Código Bibliográfico :2001Natur.413..194G. doi :10.1038/35093011. PMID  11557988. S2CID  4388399.
  10. ^ Grigg, P (1986). "Estudios biofísicos de los mecanorreceptores". Revista de fisiología aplicada . 60 (4): 1107–15. doi :10.1152/jappl.1986.60.4.1107. PMID  2422151.
  11. ^ Biswas, Abhijit; Manivannan, M.; Srinivasan, Mandyam A. (2015). "Modelo biomecánico en capas multiescala del corpúsculo de Pacini". Transacciones IEEE sobre hápticos . 8 (1): 31–42. doi :10.1109/TOH.2014.2369416. PMID  25398182. S2CID  24658742.
  12. ^ Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (junio de 2009). "Descripción de grano grueso de la dinámica interna de las proteínas: una estrategia óptima para descomponer las proteínas en subunidades rígidas". Biophysical Journal . 96 (12): 4993–5002. Bibcode :2009BpJ....96.4993P. doi :10.1016/j.bpj.2009.03.051. PMC 2712024 . PMID  19527659. 
  13. ^ Baron R, Vellore NA (julio de 2012). "LSD1/CoREST es una pinza alostérica a escala nanométrica regulada por el reconocimiento molecular de la cola de histona H3". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 109 (31): 12509–14. Bibcode :2012PNAS..10912509B. doi : 10.1073/pnas.1207892109 . PMC 3411975 . PMID  22802671. 
  14. ^ Farago B, Li J, Cornilescu G, Callaway DJ, Bu Z (noviembre de 2010). "Activación del movimiento del dominio de proteína alostérica a nanoescala revelada por espectroscopia de eco de espín de neutrones". Revista Biofísica . 99 (10): 3473–3482. Código Bib : 2010BpJ....99.3473F. doi :10.1016/j.bpj.2010.09.058. PMC 2980739 . PMID  21081097. 
  15. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (diciembre de 2005). "Movimiento de dominios proteicos acoplados en la polimerasa Taq revelado por espectroscopia de eco de espín de neutrones". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 102 (49): 17646–17651. Bibcode :2005PNAS..10217646B. doi : 10.1073/pnas.0503388102 . PMC 1345721 . PMID  16306270. 
  16. ^ Nakano, Tadashi; Eckford, Andrew W.; Haraguchi, Tokuko (12 de septiembre de 2013). Comunicación molecular. Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-1-107-02308-6.
  17. ^ Ehret, Günter (8 de mayo de 2009). "Gradiente de rigidez a lo largo de la membrana basilar como base para el análisis de frecuencia espacial dentro de la cóclea". doi :10.18725/OPARU-1218. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  18. ^ Fettiplace, Robert (12 de septiembre de 2017). "Transducción, sintonización y transmisión sináptica de células ciliadas en la cóclea de los mamíferos". Fisiología integral . 7 (4): 1197–1227. doi :10.1002/cphy.c160049. ISBN 9780470650714. PMC  5658794 . PMID  28915323.
  19. ^ Burkholder, TJ (2007). "Mecanotransducción en el músculo esquelético". Frontiers in Bioscience . 12 : 174–91. doi :10.2741/2057. PMC 2043154 . PMID  17127292. 
  20. ^ Fitzgerald, JB; Jin, M; Dean, D; Wood, DJ; Zheng, MH; Grodzinsky, AJ (2004). "La compresión mecánica de explantos de cartílago induce múltiples patrones de expresión génica dependientes del tiempo e involucra calcio intracelular y AMP cíclico". Journal of Biological Chemistry . 279 (19): 19502–11. doi : 10.1074/jbc.M400437200 . PMID  14960571.
  21. ^ Fitzgerald, JB; Jin, M; Grodzinsky, AJ (2006). "El cizallamiento y la compresión regulan de manera diferencial grupos de patrones de transcripción temporal funcionalmente relacionados en el tejido del cartílago". Journal of Biological Chemistry . 281 (34): 24095–103. doi : 10.1074/jbc.M510858200 . PMID  16782710.
  22. ^ Kurz, Bodo; Jin, Moonsoo; Patwari, Parth; Cheng, Debbie M.; Lark, Michael W.; Grodzinsky, Alan J. (2001). "Respuesta biosintética y propiedades mecánicas del cartílago articular después de una compresión lesiva". Revista de investigación ortopédica . 19 (6): 1140–6. doi : 10.1016/S0736-0266(01)00033-X . PMID  11781016.
  23. ^ Loening, A; James, IE; Levenston, ME; Badger, AM; Frank, EH; Kurz, B; Nuttall, ME; Hung, HH; Blake, SM (2000). "La compresión mecánica perjudicial del cartílago articular bovino induce la apoptosis de los condrocitos". Archivos de bioquímica y biofísica . 381 (2): 205–12. doi :10.1006/abbi.2000.1988. PMID  11032407. S2CID  21964244.
  24. ^ Behrens, Fred; Kraft, Ellen L.; Oegema, Theodore R. (1989). "Cambios bioquímicos en el cartílago articular después de la inmovilización articular mediante yeso o fijación externa". Revista de investigación ortopédica . 7 (3): 335–43. doi :10.1002/jor.1100070305. PMID  2703926. S2CID  34651862.
  25. ^ Torzilli, PA; Deng, XH.; Ramcharan, M. (2006). "Efecto de la tensión compresiva en la viabilidad celular en el cartílago articular cargado estáticamente". Biomecánica y modelado en mecanobiología . 5 (2–3): 123–32. doi :10.1007/s10237-006-0030-5. PMID  16506016. S2CID  39216430.
  26. ^ Sah, Robert L.-Y.; Kim, Young-Jo; Doong, Joe-Yuan H.; Grodzinsky, Alan J.; Plass, Anna HK; Sandy, John D. (1989). "Respuesta biosintética de los explantos de cartílago a la compresión dinámica". Revista de investigación ortopédica . 7 (5): 619–36. doi :10.1002/jor.1100070502. PMID  2760736. S2CID  1933220.
  27. ^ Mouw, JK; Imler, SM; Levenston, ME (2006). "Regulación de la síntesis de la matriz de condrocitos mediante canales iónicos en cultivos tridimensionales bajo compresión estática y dinámica". Biomecánica y modelado en mecanobiología . 6 (1–2): 33–41. doi :10.1007/s10237-006-0034-1. PMID  16767453. S2CID  7270995.
  28. ^ Von Der Mark, K.; Mollenhauer, J. (1997). "Interacciones de la anexina V con el colágeno". Ciencias de la vida celular y molecular . 53 (6): 539–45. doi :10.1007/s000180050069. PMC 11147192 . PMID  9230933. S2CID  21313045. 
  29. ^ Kurtis, Melissa S.; Tu, Buu P.; Gaya, Omar A.; Mollenhauer, Jürgen; Knudson, Warren; Loeser, Richard F.; Knudson, Cheryl B.; Sah, Robert L. (2001). "Mecanismos de adhesión de los condrocitos al cartílago: papel de las integrinas β1, CD44 y anexina V". Revista de investigación ortopédica . 19 (6): 1122–30. doi : 10.1016/S0736-0266(01)00051-1 . PMID  11781014.
  30. ^ Pulai, Judit I.; Del Carlo, Marcello; Loeser, Richard F. (2002). "La integrina ?5?1 proporciona señales de supervivencia de la matriz para condrocitos articulares humanos normales y osteoartríticos in vitro". Arthritis & Rheumatism . 46 (6): 1528–35. doi : 10.1002/art.10334 . PMID  12115183.
  31. ^ Millward–Sadler, SJ; Wright, MO; Davies, LW; Nuki, G.; Salter, DM (2000). "La mecanotransducción a través de integrinas e interleucina-4 da como resultado una expresión alterada del gen agrecano y de la metaloproteinasa de matriz 3 en condrocitos articulares humanos normales, pero no osteoartríticos". Arthritis & Rheumatism . 43 (9): 2091–2099. doi : 10.1002/1529-0131(200009)43:9<2091::AID-ANR21>3.0.CO;2-C . PMID  11014361.
  32. ^ Millward-Sadler, SJ; Salter, DM (2004). "Cascadas de señales dependientes de integrinas en la mecanotransducción de condrocitos". Anales de ingeniería biomédica . 32 (3): 435–46. doi :10.1023/B:ABME.0000017538.72511.48 (inactivo 2024-11-02). PMID  15095818. S2CID  1717838.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de noviembre de 2024 ( enlace )
  33. ^ Fanning, PJ; Emkey, G; Smith, RJ; Grodzinsky, AJ; Szasz, N; Trippel, SB (2003). "Regulación mecánica de la señalización de la proteína quinasa activada por mitógeno en el cartílago articular". Journal of Biological Chemistry . 278 (51): 50940–8. doi : 10.1074/jbc.M305107200 . PMID  12952976.
  34. ^ Urban, JPG (1994). "El condrocito: una célula bajo presión". Reumatología . 33 (10): 901–908. doi :10.1093/rheumatology/33.10.901. PMID  7921748.
  35. ^ McGlashan, SR; Jensen, CG; Poole, CA (2006). "Localización de los receptores de la matriz extracelular en el cilio primario del condrocitos". Journal of Histochemistry and Cytochemistry . 54 (9): 1005–14. doi : 10.1369/jhc.5A6866.2006 . PMID  16651393.
  36. ^ Wann, AK; Zuo, N; Haycraft, CJ; et al. (abril de 2012). "Los cilios primarios median la mecanotransducción a través del control de la señalización de Ca2+ inducida por ATP en condrocitos comprimidos". FASEB J . 26 (4): 1663–71. doi : 10.1096/fj.11-193649 . PMC 3316893 . PMID  22223751. 

Lectura adicional

Enlaces externos