Модель экстракорпоральной ударно-волновой терапии с применением механотрансдукции
Язык: русский
31.08.2021
Х.Г. Нойланд, Х.Й. Духштайн
По данным ZES Kronberg и фармацевтический институт Гамбургского университета (руководитель: проф. Х.Й. Духштайн)

Экстракорпоральные ударные волны можно рассматривать в качестве механического стресс-фактора, которые вызывает биологические изменения в живых тканях и, в конечном счете, на молекулярном уровне может оказать влияние на экспрессию генов в клетках; при выборочном воздействии они могут оказать специфическую реакцию в тканях. Этот процесс называют механотрансдукцией.

Ключевые слова: экстракорпоральные ударные волны, механотрансдукция, внеклеточный матрикс, интергин, кадрегин, цитоскелет, вторичный мессенджер, мезенхимальная стволовая клетка, белки теплового шока.
Экстракорпоральные ударные волны проявляются через биологическую механотрансдукцию.

Введение

Механическая стимуляция оказывает влияние практически на все клеточные функции живых тканей - рост, дифференцировку клеток, миграцию, синтез протеинов, естественный апоптоз и некроз ткани.


Механические силы оказывают прямое влияние на форму и, следовательно, функции тканей. Клеточные структуры подвергаются постоянным механическим нагрузкам у уровнем от 0,01 до 0,1 атм “in vivo”. Это соответствует от 1 до 0,1 нН на клеточный контакт. Даже малейшее изменение в интенсивности и распределении этих сил может привести к компенсаторному перестроению клеточной матрицы и контактов “клетка-клетка”, что приведет к изменениям в поведении клеток. В повседневной жизни наибольшее влияние этого проявляется в процессах слуха, вкуса, осязания.


Мы предполагаем, что такая трансформация механических стимулов в биохимические реакции происходит не вследствие клеточной активности, вызываемой лигандами через рецепторы на поверхности клеток, а в результате общих изменений формы клеточной мембраны, и поэтому механотрансдукция отличается в литературе от других способов биологического проведения сигналов. В таком проведении сигналов участвуют мембраны и секретируемые белки и пептиды, малые липофильные молекулы, например, стероидные гормоны и тироксин, малые гидрофильные молекулы производимые их аминокислот, например, катехоламины, а также газы Все многообразие рецепторов на поверхности клеток можно подразделить на три основные группы: рецепторы, сопряженные с G-белком, ионные каналы с цитозольных рецепторами, сопряженными с тирозинкиназной, имеющие собственную каталитическую активность.Все способы проведения сигналов представляют собой концентрированный поток информации, сигналы которой можно рассматривать в качестве единиц биологической информации. Они вызывают конкретные биохимические изменения в клетках, в которые доставляются. Это также применимо их механотрансдукции и её результирующих реакциях, которые, однако, могут характеризоваться собственными независимыми физиологическими процессами. Если предположить, что механохимическое преобразование происходит на поверхности клеток, то должны иметься соответствующие структуры, которые обеспечивают протекание этого процесса. Недавно были выявлены чувствительные к нагрузке механорецепторы, которые располагаются по всей поверхности мембраны клетки. За счет механической стимуляции этих рецепторов можно регулировать скорость потока ионов и таким образом, стимулировать ядро клетки. Структуры, которые обеспечивает возможность такой передачи называют цитоскелетом внеклеточным матриксом. Они соединяются друг с другом посредством связей “клетка-клетка” и “клетка-матрикс”, чья основная структурная задача заключается в объединении клеточной ткани.

Такие соединения выполняют свою функцию напрямую соединяя внутренний цитоскелет с внешним окружением клеток - либо с другими клетками, либо с внеклеточным матриксом. Имеются две основные группы так называемых молекул клеточной адгезии (CAM) - кадрегин и интегрин, которые участвует в данном процессе.
Внеклеточный матрикс обычно представляет собой нерастворимую совокупность полисахаридов, например гликозаминогликанов, волокнообразующих белков, например, коллагена, ламинина, фибронектина и прочих адгезивных белков, которые могут быть выделены из клеток животных. Он стабилизирует ткань и влияет на биохимические характеристики клеток. Ламинин имеет особую важность для механотрансдукции. Ламинин - этот мультиадгезивный белок, находящийся в базальной мембране и связанные с гепаринсульфатом, коллагеном типа IV и специфическими рецепторами на поверхности клеток. Фибронектины, также являющиеся мультиадгезивными белками, связывают коллаген и другие матриксные белки с интегрином, создавая таким образом связь между клетками и матриксом. Цитоскелет представляет собой трехмерную решётку волокнообразующих протеинов в цитоплазме эукариотических клеток, выступающей в качестве носителя и их структур. Он также стабилизирует клетки и положение внутриклеточных органелл и одновременно отвечает за перемещение органелл и хромосом во время митоза и перемещение самих клеток. Он включает в себя три различных компонента:

микротрубочки (диаметром 25 нм),
актинмикрофиламенты (6-9 нм),
промежуточные филаменты 10 (нМ).

Кадрегины образуют семейство Ca2+ зависимых молекул клеточной адгезии, которые играют ключевую роль межклеточной адгезии и крайне важны для дифференциации их структурной целостности тканей. Интегрины представляет собой наиболее важные адгезивные белки между клетками и матриксом. Они состоят из гитеродимеров, образованных альфа- и бета- частицами, которые связывают области клеточной фиксации фибронектина, ламинина, коллагенов типа II b IV и других матричных молекул. Благодаря интегринам, помимо всего прочего, происходит аутокринная стимуляция рецепторов интерлейкина-4, что в свою очередь влияет на экспрессию генов посредством Янус-киназы или C-фосфолипазы; С-фосфолипаза отвечает за внутриклеточное высвобождение ионов CA2+, что помогает контролировать экспрессию генов посредством периодических изменений уровня цитозольной концентрации.
Механорецепторы представляют собой катионные каналы (каналы Na и Na/Ca), которые управляют активацией генов при растяжении клеточной мембраны или ее касании. Имеется предположение, что рецепторы растяжения относятся к первичным белковым рецепторам, которые образовались в ходе эволюции организма. Недавно проведенные молекулярные и электрофизиологические тесты показали, что быстрая начальная стимуляция механотрансдукции происходит посредством специфичных так называемых мембранных ионных каналов, которые относятся к суперсемейству DEG/ENaC (дегенерин/эпителиальный натриевый канал). Впервые денерины были выявлены во время генетического скрининга чувствительных к прикосновению червей (Caenorhabditis elegas), которые известны как так называемые meс-мутанты (механосенсорный дефект).
Они образуют связь между цитоскелетом и внеклеточным матриксом. Mec-18 похож на тубулины, являющиеся мономерными компонентами микротрубочек, которые распределены в цитоплазме в виде длинных жёстких полимеров и которые управляют положением органелл, окруженных мембраной и другими клеточными компонентами. Mec-2 на 75% состоит из тех же компонентов что и стоматин млекопитающих, широко распространенный интегральный белок мембраны. Показано, что карбоксильной конец стоматина связывается с белками цитоскелета. Mec-9 выделяется из чувствительных нервных окончаний и сочетается Mec-5 напоминающим коллаген. Тип, длительность и амплитуда стимуляции имеют большое значение во время механо-химического преобразования, происходящего в живой ткани. Механический эффект во многом обуславливается гидростатикой, поперечной силой и натяжением. Известно, что гидростатическое сжатие клетки в течение длительного времени подавляет её способность к биосинтезу. Однако, при применении динамического периодического сжатия способность осуществлять биосинтез улучшается. Слишком высокая частота также оказывает отрицательное влияние на биосинтез в клетке. Также известно, что различные тканевые структуры по-разному реагируют нам приложение механических сил. На костные и хрящевые ткани оказывают влияние гидростатические силы, а на сухожилия и мышечные ткани - поперечная сила.
Механотрансдукция и экстракорпоральное ударные волны

Влияние экстракорпоральные ударных волн (ЭУВ) на живые ткани создает комплексную сигнальную стрессовую ситуацию, которая проявляется на различных взаимодействующих уровнях. В первую очередь, мы можем предположить, что механические стимулы, оказывающие влияние на клеточные структуры соответствующей тканей посредством ЭУВ, преобразуются в химические сигналы. В большинстве случаев эти способы проведения сигналов соответствует общим процессам, о которых нам уже известно и которые описаны в введение. Для функционирования как единое целое многоклеточным организмам приходится разрабатывать комплексные механизмы передачи этих сигналов по всему телу. Такая общая координация основана на основном главное механизме, а именно на передаче механических сил через вязкоэластические ткани, различные клеточные структуры и жидкости. Механизмы механотрансдукции, в большинстве своем, являются одинаковыми для различных типов ткани, однако для каждого отдельного типа тканей имеется свой способ проведения сигнала, который приводит к необходимое клеточной реакции. Особую важность в этом сигнальном каскаде представляет активация так называемых вторичных мессенджеров. Вторичные мессенджеры представляет собой низкомолекулярные внутриклеточные сигнальные молекулы, концентрация которых увеличивается или уменьшается в ответ на активацию определённых рецепторов поверхностных клеток. Примерами являются сAMP, cGMP, Ca2+, диаглицерин (DAG), инозитол, 1,4,5, трифосфат (IP3) и оксид азота. Наши эксперименты показали, что в случае если в случае механохимического преобразования экстракорпоральных ударных волн Ca2+ и оксид азота играют наиболее важную роль. Является слабым хелат-образующим ионном, Ca2+ помогает белкам и жирам в клеточных мембранах достичь структурной стабильности в органеллах и хромосомах.
Ca2+ связывается с высокой афинность с тубулином и необходимым клеткам для перехода в S-фазу клеточного цикла. Сократимость, хемотаксис и агрегация регулируются метаболизмом Ca2+ и арахидоновой кислоты. Ca2+ играет важную роль в передаче нервных импульсов и при сокращении при сокращении мышц/ После механической стимуляции клеточной мембраны активируется механозависимые мембранные и ионные каналы, обеспечивающие попадание ионов Ca2+ в клетки; в тоже время 4,5-дифосфинозитол гидролизуется в инозитол 1,5,5-трифосфат и диацилглицерин (DAG). DAG сам по себе является вторичными мессенджером, который косвенно влияет помимо всего прочего на высвобождение внутриклеточного Ca2+ посредством фосфорилирования различных белков. Это приводит к быстрому повышению внутриклеточного уровня Ca2+ до 1 мкмоль. Благодаря такой концентрации Ca2+ активирует связывание некоторых белков с кальмодулином напрямую, а других - косвенно.
Ca2+/CaM регулирует уровень многих энзимов, насосов, белков мембранной транспортировки и других целевых белков, однако наибольшее влияние оказывается за счет активации не кальмодулином, а протеникиназами, которые зависят от координированной регуляции со стороны Ca2+ и DAG. 
Когда Ca2 фиксирует энзимы брони то активируется DAG.
Механизм механотрансдукции
Белки теплового шока
Выводы
Мы можем считать влияние на миграционную активность мезенхимальных стволовых клеток взрослых (продемонстрированное нами впервые) прекрасным примером механотрансдукции, вызываемой ЭУВ). Нам удалось показать, что при сфокусированных экстракорпоральных ударных волнах миграция мезенхимальных стволовых клеток значительно увеличивается. Еще один фактор, который может быть проведён в качестве примера влияния экстракорпоральных ударных волн как механического стресс-фактора - создание свободных радикалов, которому прежде мы приписывали, главным образом, наступление так называемого оксидативного стресса. Однако с тех пор мы выяснили, что эти радикалы играют важную роль в качестве сигнальных и модулярных молекул. Свободными радикалами считаются атомы или молекулы, в которых имеется один или несколько неспаренных электронов, в результате чего они демонстрируют высокую химическую активность. Важнейшими примерами являются супероксидные, гидроксильные радикалы и радикалы оксида азота. Основное внимание мы сосредоточили на образовании NO после воздействия ЭУВ. Нам удалось доказать это в условиях “in vitro” с помощью электронной парамагнитно резонансной спектроскопии и “in vivo” с помощью модифицированного анализатора NO.
Подпишитесь на нашу рассылку и первыми получайте самые новые материалы!