Mechanische krachten beheersen biologische processen, van de samentrekkingen van het pompachtige hart, aan spieren die lijken op snaren en pullies, en cellen die microscopische touwtrekken uitvoeren.

Eerder, deze mechanische aspecten van de biologie zijn grotendeels genegeerd, niet in de laatste plaats vanwege een gebrek aan technologie die ingewikkelde mechanische metingen mogelijk maakt.

Maar er worden betere instrumenten ontwikkeld, en deze maken het volgen van mechanische activiteit in cellen en weefsels mogelijk.

En door deze zichtbaarheid, nieuwe medicijnen en behandelingen beginnen op te komen.

Mechanobiologie is de wetenschap van hoe cellen en weefsels mechanische krachten voelen en erop reageren.

Net zoals wij mensen spieren en botten hebben die ons het vermogen geven om krachten uit te oefenen, elk van onze cellen heeft ook een skelet:het cytoskelet. Dit netwerk van vezels zorgt ervoor dat cellen krachten kunnen uitoefenen en weerstaan, en stelt hen in staat te bewegen.

T-cellen kijken

T-cellen maken deel uit van ons immuunsysteem:ze kunnen zich gedragen als celmoordenaars, het doden van andere cellen zoals die geïnfecteerd zijn met virussen, of kankercellen.

Op microschaal (ongeveer een honderdste van een mensenhaar), we kunnen T-cellen visualiseren en volgen die "op jacht" naar kankercellen terwijl ze bewegen en zich een weg banen door weefsels. Dit past de benadering toe die bekend staat als 3D-tractiekrachtmicroscopie (TFM).

Bij het vinden van een kankercel, een T-cel grijpt zijn doelwit stevig vast, en levert een "kus des doods".

Technieken die bekend staan ​​als dual pipet aspiration (DPA) en optische pincetten (zie onderstaande video) stellen ons in staat om individuele cellen te grijpen, en koppel ze gecontroleerd aan elkaar. Dit stelt ons in staat om de mechanica achter deze dodelijke "kus" te begrijpen en te illustreren.

Mechanobiologische technieken gebruiken om te zien hoe T-cellen kankercellen vinden en doden, kan een betere targeting van immuuntherapieën tegen kanker mogelijk maken.

De eerste immunotherapie gericht op kanker met behulp van de eigen T-cellen van een patiënt is onlangs goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA).

De kracht voelen

Cellen gebruiken krachtsensoren om veel van de fysieke signalen die ze ervaren te detecteren en te onderscheiden.

Een belangrijke klasse van krachtsensoren zijn "mechanosensitieve ionkanalen". Dit zijn gaten, of poriën, in het oppervlak van de cel die kan openen en sluiten.

Wanneer de cel een fysieke kracht of een mechanische stimulus waarneemt (in wezen, als een microscopisch kleine prik), deze poriën kunnen opengaan. Chemicaliën gaan in en uit, en een kleine elektrische stroom wordt door de celwand geleid. Dit kan worden gemeten door kleine elektroden aan het oppervlak van een cel te bevestigen.

Veel soorten cellen en weefsels hebben dergelijke sensoren, en reageren op veranderingen in mechanische belastingen. Deze omvatten de neuronen die onze tastzin ondersteunen, uitzaaiende kankercellen en de cellen die ons kraakbeen in botten houden.

Het medicijn EVENITY - dat tot doel heeft botverlies bij osteoporose te voorkomen - werkt via deze route. Het medicijn blokkeert sclerostine, een sleutelfactor die van nature botvorming remt op basis van de mechanosenserende functies van botvormende cellen.

Getest bij muizen die naar het internationale ruimtestation reizen, de behandeling heeft nu klinische proeven bij mensen doorstaan ​​en wacht op goedkeuring door de FDA voor gebruik bij de behandeling van osteoporotische patiënten in de Verenigde Staten.

Orgel op een chip

Organ-on-chip-technologie is ontworpen om de ontwikkeling van geneesmiddelen te ondersteunen, ziektemodellering en gepersonaliseerde geneeskunde. Elke afzonderlijke eenheid is gemaakt van een transparant materiaal dat bekend staat als een polymeer:​​het is ongeveer zo groot als een USB-stick, en bestaat uit holle kanalen omzoomd door levende menselijke cellen.

Deze chips verschillen van andere laboratoriumtesten zoals celkweek, in die zin dat ze de fysiologie en mechanica kunnen nabootsen van hoe cellen interageren met levende weefsels (in plaats van alleen te kijken naar reacties in individuele cellen).

Bijvoorbeeld, organs-on-chips kunnen de architectuur van menselijke organen op microscopisch niveau nabootsen, inclusief de darmen, nier, huid, beenmerg en hersengebieden.

Een voorbeeld van het gebruik van longweefsel wordt beschreven in de onderstaande video. Deze technologie biedt een manier om ziekten in weefsels te zien, en is een alternatief voor dierproeven voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Veel onderzoekers en biotechnologiebedrijven hopen dat technologie zoals organen-op-chips de ontwikkeling van nieuwe medicijnen zal versnellen, en gepersonaliseerde geneeskunde bevorderen.

Met behulp van bestaande technieken, klinische studies kunnen jaren duren om te voltooien en het testen van een enkele verbinding kan vele miljoenen dollars kosten. Ook, preklinische dierstudies slagen er vaak niet in om menselijke reacties te voorspellen, omdat diermodellen de menselijke biologische reacties niet altijd nauwkeurig nabootsen.

In april 2017, de FDA kondigde een meerjarige onderzoeks- en ontwikkelingsovereenkomst aan om de technologie van organen-op-chips te evalueren, beginnend met een leverchip.

De overeenkomst kan in de toekomst worden uitgebreid met aanvullende orgaanchips, inclusief nier, long- en darmmodellen.

Mechanobiologie integreert natuurwetenschappen in de biologie en stimuleert de ontwikkeling van nieuwe technologieën. Cellen in beweging kijken, krachten op celschaal begrijpen en meten, en het maken van minimodellen van menselijke weefsels in het laboratorium zijn nog maar het begin.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.