في مجال البيولوجيا الخلوية والطب الحيوي ، وتنظيم بيئة الجاذبية الصغرية على وظيفة فسيولوجية الخلية أصبحت بؤرة البحث . مسارات تنبيغ الإشارة داخل الخلايا تلعب دورا رئيسيا في تنظيم انتشار الخلايا ، والتمايز ، موت الخلايا المبرمج ، وما إلى ذلك آلية الاستجابة في ظروف الجاذبية الصغرية هو المفتاح لفهم التغيرات الفسيولوجية في الخلايا . كه يو شينغ يهثلاثي الأبعاد نظام خلية ثقافة tdccs-3d الجاذبية الصغريةباستخدام تقنية ثلاثية الأبعاد التناوب مع انخفاض قوة القص ، 10 ⁻ ز مستوى الجاذبية الصغرية محاكاة البيئة بنيت بدقة ، والتي توفر مستقرة وموثوق بها منصة تجريبية لاستكشاف تأثير الجاذبية الصغرية على نقل الإشارات داخل الخلايا ، وتعزيز البحوث ذات الصلة من النظرية إلى التطبيق .

الآلية الأساسية الخلوية إشارة تنبيغ في بيئة الجاذبية الصغرية

الاستشعار والاستجابة الميكانيكية التحفيز يعتمد على التآزر من المستقبلات الميكانيكية على سطح غشاء الخلية المصب إشارة المسار . في بيئة الجاذبية الصغرية التي شيدت من قبل tdccs-3d النظام ، آلية أساسية يمكن تلخيصها في ثلاث نقاط من خلال تغيير الخلية الميكانيكية المكروية وإعادة تشكيل شبكة نقل الإشارات من المصدر .

1. تفعيل وإعادة عرض الميكانيكية المستقبلات

   إنتغرين ، كادهيرين ، قناة أيون ( على سبيل المثال piezo1 ) على سطح غشاء الخلية هي " الحدود الحارس " خلية الاستشعار عن التغيرات في الجاذبية . في ظل ظروف الجاذبية الصغرية ، التصاق وتمديد الخلايا تتغير ، ملزمة نمط إنتغرين المصفوفة خارج الخلية هو تعديل ، مما يؤدي إلى تغيرات تشكيلية و التجميع و التنشيط . تفعيل إنتغرين ينشط المصب التصاق كيناز ( فاك ) ، يبدأ فاك راس إرك محور الإشارات ، وينظم إعادة التركيب الخلوي . وبالإضافة إلى ذلك ، piezo1 قناة أيون يفتح تحت ظروف الجاذبية الصغرية الناجمة عن التغيرات في التوتر الميكانيكي ، يتوسط تدفق الكالسيوم ، ويوفر إشارة تفعيل الكالسيوم تعتمد على مسار الإشارات .

2. 
   

3. إعادة بناء الهيكل الخلوي يدفع إشارة تنبيغ التكيف

   بيئة الجاذبية الصغرية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على تجميع وتوزيع الخلوي ( microfilament ، أنيبيب ، متوسط الألياف ) . درجة البلمرة أكتين microfilaments انخفض ، تشكيل pseudopod كان مقيدا ، مما أدى إلى تحول في شكل كروي . دينامية الاستقرار ميكروتوبولي زيادة ، مما يؤثر على توطين العضيات ونقل المواد . إعادة بناء الهيكل الخلوي ليس فقط تغيير الخواص الميكانيكية للخلايا ، ولكن أيضا تنظيم نشاط مسارات الإشارات من خلال التفاعل مع جزيء إشارة . على سبيل المثال ، microfilament التحلل يمكن أن تمنع نشاط رو GTPase أفراد الأسرة ، مما يؤثر على الهجرة الخلية ذات الإشارات . التغيرات في هيكل أنيبيب تتداخل مع التقام و تنبيغ الإشارة من يغاندس المستقبلات في الشق المسار .

4. 
   

5. 
   

6. استجابة وتنظيم نظام الرسول الثاني

   الرسول الثاني ( على سبيل المثال ، مخيم ، كاليفورنيا ⁺ IP3 ) هو وسيط مهم في نقل الإشارة ، و تركيز رسول الثاني يختلف بشكل كبير في ظروف الجاذبية الصغرية . انخفاض قوة القص تصميم نظام tdccs-3d يتجنب الأضرار الميكانيكية على غشاء الخلية ، ويضمن استجابة مستقرة من الرسول الثاني النظام . الجاذبية الصغرية يمكن أن تؤثر على تكاثر وتمايز الخلايا من خلال تفعيل الادينلات سيكلاز أو فسفودايستراز ، تغيير تركيز المخيم وتنظيم نشاط بروتين كيناز ( PKA ) . وفي الوقت نفسه ، زيادة تدفق الكالسيوم يمكن أن تحفز كالمودولين ( كام ) ، بدء cam-camk هذه التغيرات في الرسول الثاني ، مثل " المنظمين " في شبكة توصيل الإشارات ، وتعزيز التكيف مع الظروف الفسيولوجية الخلوية .

7. 
   

مسارات الإشارات الخلوية الرئيسية وآثار الجاذبية الصغرية التنظيم

1. Wnt / β - catenin مسار الإشارات

   Wnt المسار هو المسار الأساسي الذي ينظم الحفاظ على الخلايا الجذعية المحفزة والتمايز . في ظل ظروف الجاذبية الصغرية ، نشاط الجليكوجين كيناز سينسيز 3 β ( gsk-3 β ) في الخلايا هو الكبت ، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى الفسفرة β - catenin ، ثم تتراكم في السيتوبلازم و نقلها إلى النواة ، ثم ربط مع TCF / لو عامل النسخ ، وتفعيل التعبير عن الجينات ذات الصلة متعددة الوظائف ( مثل oct4 sox2 , نانوغ , ) . البيانات التجريبية تبين أن الخلايا الجذعية مثقف في tdccs-3d النظام ، مستوى التنشيط Wnt المسار زيادة كبيرة ، والتعبير عن علامات متعددة الوظائف بنسبة أكثر من 30 ٪ ، والقدرة على التجديد الذاتي من الخلايا بشكل ملحوظ . وعلاوة على ذلك ، فإن تنظيم مسار Wnt بواسطة الجاذبية الصغرية هو نوع خاص من الخلايا ، والتي يمكن أن تقلل من انتشار وغزو الخلايا السرطانية عن طريق تثبيط غير طبيعي تفعيل مسار Wnt . . . . . . .

2. 
   

3. PI3K / عكة / متور

   PI3K / عكة / متور المسار هو المسار الرئيسي الذي ينظم استقلاب الطاقة والنمو والبقاء على قيد الحياة من الخلايا . في بيئة الجاذبية الصغرية ، pi3k يمكن تفعيلها من خلال إنتغرين فاك إشارة المحور ، مما أدى إلى تحويل phosphatidylinositol ثنائي فسفات ( pip2 ) في phosphatidylinositol ثلاثي الفوسفات ( pip3 ) ، ثم تجنيد عكة في غشاء الخلية و الفسفرة . تفعيل عكة يمكن أن تزيد من تفعيل متور معقدة ، وتنظيم تخليق البروتين ترجمة الريبوسوم ، تؤثر على معدل نمو الخلايا . وفي الوقت نفسه ، تفعيل متور المسار يمكن أن تمنع التعبير عن الجينات ذات الصلة الالتهام الذاتي ، وانخفاض مستوى الالتهام الذاتي . في tdccs-3d النظام ، pi3k / عكة / متور مسار الخلايا الجذعية هو تفعيلها بشكل صحيح ، والتي لا تضمن بقاء وتكاثر الخلايا ، ولكن أيضا تجنب التمايز الناجم عن الإفراط في التنشيط . أما عن الخلايا التالفة ، تفعيل هذا المسار يمكن أن تعزز قدرة الخلايا على مقاومة الضرر من خلال تثبيط التعبير عن الخلايا والبروتينات ذات الصلة ( على سبيل المثال ، باكس ) .

4. 
   

5. MAPK / إرك مسار الإشارات

   MAPK / إرك المسار تشارك في تنظيم العديد من العمليات الفسيولوجية مثل تكاثر وتمايز الخلايا . في ظل ظروف الجاذبية الصغرية ، إنتغرين التنشيط يمكن تفعيل MAPK كيناز ( راف ) من خلال رأس البروتين ، ثم يبدأ MAPK إشارة تتالي رد فعل ، مما يجعل إرك الفسفرة ونقلها إلى نواة الخلية ، وتنظيم التعبير عن الجينات المستهدفة المصب . . . . . . . في عملية تمايز الخلايا الجذعية ، الجاذبية الصغرية يؤدي إلى تمايز الخلايا إلى نسب محددة من خلال تنظيم الوقت وكثافة إرك المسار . على سبيل المثال ، في تمايز الخلايا بانية العظم ، استمرار تفعيل إرك المسار يمكن أن تعزز التعبير عن الجينات المرتبطة بناء العظم ( مثل runx2 و OCN ) . ومع ذلك ، في تمايز الخلايا العصبية ، معتدلة تفعيل إرك المسار يساعد على نمو الخلايا العصبية نورایت . . . . . . . انخفاض قوة القص من خصائص tdccs-3d النظام يتجنب غير محددة تفعيل MAPK المسار الناجم عن التحفيز الميكانيكية ، ويضمن دقة واستنساخ النتائج التجريبية .

6. 
   

7. الشق مسار الإشارات

   الشق المسار يلعب دورا رئيسيا في تحديد مصير الخلية . بيئة الجاذبية الصغرية يمكن أن تؤثر على توزيع الخلوي ، وتغيير كفاءة ملزمة من الشق مستقبلات يجند . في ثلاثي الأبعاد نظام الجاذبية الصغرية ، الاتصال بين الخلايا في الخلية المجاميع هو أكثر إحكاما ، ملزمة احتمال الشق يجند ( مثل jagged1 ) مع المستقبلات هو زيادة ، مما يؤدي إلى انقسام مستقبلات الشق ، والإفراج عن جزء داخل الخلية ( NICD ) ونقلها إلى نواة الخلية ، وتفعيل التعبير عن الجينات المستهدفة ( مثل hes1 و hey1 ) . في الخلايا الجذعية المكونة للدم ، تفعيل الشق المسار يمكن الحفاظ على الخصائص الجافة ، وتعزيز انتشار الخلايا الاصلية المكونة للدم . في خلايا الكبد ، معتدل تفعيل هذا المسار هو مفيد للحفاظ على وظيفة القطبية .

8. 
   

المزايا التقنية tdccs-3d النظام في الخلية إشارة الإرسال

1. دقة التحكم محاكاة الجاذبية الصغرية

   هذا النظام يدعم مجموعة واسعة من الجاذبية التدرج من 10 ⁻ ز إلى الجيل الثالث 3G ، ويمكن تعيين المعلمات الجاذبية الصغرية بمرونة وفقا لمتطلبات مختلفة من أنواع الخلايا ، وبالتالي تحقيق دقة السيطرة على الخلية الميكانيكية المكروية . وفي الوقت نفسه ، انخفاض قوة القص تصميم ( إجهاد القص أقل من أو يساوي 0.01pa ) يقلل من تدخل من التحفيز الميكانيكي على الخلايا ، يتجنب تفعيل مسار الإشارات غير محددة ، ويضمن خصوصية إشارة تنبيغ البحث .

2. 
   

3. الحد من الحالة الفسيولوجية في الجسم الحي مع ثلاثي الأبعاد نظام الثقافة

   بالمقارنة مع التقليدية 2D الثقافة ، ثقافة ثلاثية الأبعاد البيئة التي شيدت من قبل tdccs-3d النظام هو أكثر ملاءمة لنمو الخلايا في الجسم الحي . التفاعل بين الخلايا و نقل الإشارة هي أكثر اتساقا مع الواقع الفيزيولوجي ، ويمكن أن تعكس حقا تغيير قانون الخلية إشارة الإرسال تحت ظروف الجاذبية الصغرية في الجسم الحي . وبالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام متوافق مع العديد من المواد الاستهلاكية ، ودعم ثقافة مشتركة التجربة ، يمكن محاكاة معقدة بين الخلايا إشارة الاتصال .

4. 
   

5. بيانات الرصد والتتبع

   ثلاثة محاور نظام الرصد في الوقت الحقيقي هو المقدمة ، والتي يمكن تسجيل البارامترات الرئيسية مثل الجاذبية التدرج ، درجة الحرارة ، قيمة الرقم الهيدروجيني في الوقت الحقيقي لضمان الاستقرار والاتساق في الظروف التجريبية . سجل بيانات كاملة يمكن أن تساعد الباحثين على تتبع مسار التجربة ، وتحليل العلاقة بين المعلمات و تفعيل مسار الإشارات ، وتحسين موثوقية النتائج .

6. 
   

تطبيق القيمة : من البحوث الأساسية إلى التحول من الطب الحيوي

1. أبحاث الخلايا الجذعية والطب التجديدي

   من خلال تنظيم وانت PI3K / عكة وغيرها من مسارات الإشارات ، tdccs-3d النظام يمكن تحسين ظروف ثقافة الخلايا الجذعية ، وتعزيز الحفاظ على كفاءة multipotential والتمايز ، وتوفير الدعم التقني على نطاق واسع إنتاج الخلايا الوظيفية . على سبيل المثال ، في دراسة تمايز الخلايا الجذعية الوسيطة في كندروسيت ، الجاذبية الصغرية يعزز التعبير عن علامات محددة كندروسيت بشكل ملحوظ من خلال تنظيم MAPK المسار ، ويوفر جودة عالية البذور خلايا الغضروف هندسة الأنسجة .

2. 
   

3. بناء نموذج من مرض السرطان و تطوير الأدوية

   في ظل ظروف الجاذبية الصغرية ، مسارات تنبيغ الإشارة من الخلايا السرطانية هي أقرب إلى الأنسجة السرطانية في الجسم الحي ، ويمكن استخدامها لبناء نموذج أكثر واقعية من أمراض السرطان . من خلال دراسة تفعيل آلية غير طبيعية من مسار الإشارات ، يمكن تحديد الهدف المخدرات . على سبيل المثال ، باستخدام نظام tdccs-3d لفحص الأدوية المثبطة PI3K / عكة المسار يمكن أن تمنع بشكل فعال انتشار الخلايا السرطانية ، وتوفير منصة موثوق بها لفحص المخدرات انتيتومور البحث والتطوير .

5. دراسة بيولوجية الفضاء

   محاكاة بيئة الجاذبية الصغرية يمكن استخدامها لدراسة تأثير الجاذبية الصغرية على وظيفة فسيولوجية من رواد الفضاء ، وتحليل التغيرات في مسار الإشارات في بيئة الفضاء ، وتوفير الأساس النظري لضمان صحة رواد الفضاء . وفي الوقت نفسه ، فإن نتائج البحوث ذات الصلة يمكن أن توفر الدعم التقني من أجل تطوير الصيدلة الفضائية والفضاء خلية ثقافة .