Mecanobiologia é um campo emergente da ciência na interface entre biologia, engenharia, química e física. Ela se concentra em como as forças físicas e as mudanças nas propriedades mecânicas das células e tecidos contribuem para o desenvolvimento, a diferenciação celular, a fisiologia e as doenças. As forças mecânicas são percebidas e podem ser interpretadas para gerar respostas biológicas nas células. O movimento das articulações, as cargas compressivas na cartilagem e no osso durante o exercício e a pressão de cisalhamento nos vasos sanguíneos durante a circulação sanguínea são exemplos de forças mecânicas nos tecidos humanos. Um dos principais desafios da área é a compreensão da mecanotransdução — os mecanismos moleculares pelos quais as células percebem e respondem aos sinais mecânicos. Enquanto a medicina geralmente busca as bases genéticas e bioquímicas das doenças, os avanços na mecanobiologia sugerem que alterações na mecânica celular, na estrutura da matriz extracelular ou na mecanotransdução podem contribuir para o desenvolvimento de muitas doenças, incluindo aterosclerose, fibrose, asma, osteoporose, insuficiência cardíaca e câncer. Trabalhos recentes destacaram o papel crítico da regulação mecânica da barreira hematoencefálica (BHE) no desenvolvimento, envelhecimento e doenças neurológicas. Existe também uma forte base mecânica para muitas deficiências médicas generalizadas, como dor lombar, lesões nos pés e posturais, deformidades e síndrome do intestino irritável.
Células sensíveis Fibroblastos Os fibroblastos da pele são vitais no desenvolvimento e na reparação de feridas e são afetados por estímulos mecânicos como tensão, compressão e pressão de cisalhamento. Os fibroblastos sintetizam proteínas estruturais, algumas das quais são mecanossensíveis e fazem parte integrante da matriz extracelular (MEC), por exemplo, colágeno dos tipos I, III, IV, V e VI, elastina, lamina, etc. Além das proteínas estruturais, os fibroblastos produzem o fator de necrose tumoral alfa (TNF-α), o fator de crescimento transformador beta (TGF-β) e metaloproteinases da matriz que desempenham papéis na manutenção e remodelação dos tecidos.
Condrócitos A cartilagem articular é o tecido conjuntivo que protege os ossos das articulações que suportam carga, como o joelho e o ombro, fornecendo uma superfície lubrificada. Ela se deforma em resposta à carga compressiva, reduzindo assim o estresse nos ossos. Essa responsividade mecânica da cartilagem articular deve-se à sua natureza bifásica; ela contém fases sólida e fluida. A fase fluida é composta de água – que contribui com 80% do peso úmido – e íons inorgânicos, como íons de sódio, cálcio e potássio. A fase sólida é composta de matriz extracelular porosa. Os proteoglicanos e os fluidos intersticiais interagem para exercer força compressiva na cartilagem por meio de forças repulsivas eletrostáticas negativas. A diferença na concentração iônica entre a composição iônica extracelular e intracelular dos condrócitos resulta em pressão hidrostática. Durante o desenvolvimento, o ambiente mecânico da articulação determina a superfície e a topologia da articulação. Em adultos, uma carga mecânica moderada é essencial para a manutenção da cartilagem. A imobilização da articulação pode causar a perda de proteoglicanos e atrofia da cartilagem, enquanto uma carga mecânica excessiva pode levar à degeneração da articulação.
Mecanobiologia nuclear O núcleo também responde a sinais mecânicos que são transmitidos da matriz extracelular através do citoesqueleto com a ajuda de proteínas associadas ao LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton), como KASH e SUN. Exemplos de efeitos das respostas mecânicas no núcleo incluem:
O desafio hiperosmótico resulta na condensação cromossômica, translocação e ativação da proteína ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3-related) para a região periférica do núcleo, enquanto o estiramento mecânico devido ao desafio hiposmótico e à compressão relocaliza e ativa a cPLA2 na membrana nuclear. A alta tensão nuclear na Lamin A dificulta o acesso das cinases, suprimindo assim a sua degradação, etc.
Mecanobiologia da embriogênese O embrião é formado por automontagem, através da qual as células se diferenciam em tecidos que desempenham funções especializadas. Anteriormente, acreditava-se que apenas sinais químicos forneciam pistas que controlavam mudanças espacialmente orientadas no crescimento celular, diferenciação e mudança de destino que mediam os controles morfogenéticos. Isso se baseava na capacidade dos sinais químicos de induzir respostas bioquímicas, como o padrão tecidual em células distantes. No entanto, agora se sabe que as forças mecânicas geradas dentro das células e tecidos fornecem sinais regulatórios.
Durante a divisão do oócito fertilizado, as células se agregam e a compactação entre elas aumenta com a ajuda de forças de tração do citoesqueleto dependentes de actomiosina e sua aplicação a receptores adesivos em células vizinhas, levando assim à formação de esferas sólidas chamadas mórulas. O posicionamento do fuso mitótico em células que se dividem simetricamente e assimetricamente no embrião inicial é controlado por forças mecânicas mediadas por microtúbulos e pelo sistema de microfilamentos de actina. Variações locais nas forças físicas e sinais mecânicos, como a rigidez da matriz extracelular (MEC), também controlam a expressão de genes que dão origem ao processo de desenvolvimento embrionário da blastulação. A perda do fator de transcrição Cdx, controlado pela rigidez, leva à expressão ectópica de marcadores da massa celular interna no trofoblasto, e o fator de transcrição pluripotente Oct-4 pode ser expresso negativamente, induzindo assim a mudança de linhagem. Essa mudança de destino celular é regulada pela via mecanossensível Hippo.
Aplicações A eficácia de muitas das terapias mecânicas já em uso clínico demonstra a importância das forças físicas no controle fisiológico. Vários exemplos ilustram esse ponto. O surfactante pulmonar promove o desenvolvimento pulmonar em bebês prematuros; a modificação dos volumes correntes dos ventiladores mecânicos reduz a morbidade e a mortalidade em pacientes com lesão pulmonar aguda. Stents expansíveis previnem fisicamente a constrição da artéria coronária. Expansores de tecido aumentam a área de pele disponível para cirurgia reconstrutiva. Dispositivos cirúrgicos de aplicação de tensão são utilizados para consolidação de fraturas ósseas, ortodontia, expansão mamária estética e fechamento de feridas de difícil cicatrização.
A compreensão da base mecânica da regulação dos tecidos também pode levar ao desenvolvimento de dispositivos médicos, biomateriais e tecidos projetados aprimorados para reparo e reconstrução de tecidos.
Os contribuintes conhecidos para a mecanotransdução celular são uma lista crescente e incluem canais iônicos ativados por estiramento — cuja falha foi recentemente categorizada em ontologias de engenharia de sistemas como "erros de sensores de hardware" derivados do atrito da membrana caveolas, integrinas, cadherinas, receptores de fatores de crescimento, motores de miosina, filamentos do citoesqueleto, núcleos, matriz extracelular e inúmeras outras moléculas de sinalização. As forças de tração endógenas geradas pelas células também contribuem significativamente para essas respostas, modulando a pré-tensão tensional dentro de células, tecidos e órgãos que governam sua estabilidade mecânica, bem como a transmissão de sinais mecânicos da macroescala para a nanoescala.
Ver também Biofísica
Notas
Categoria:Bioengenharia Categoria:Divisões da biologia