В области исследований и разработок в области клеточной биологии и биомедицины регулирующая роль микрогравитационной среды в физиологических функциях клеток становится горячей точкой для исследований. В качестве основного центра регулирования жизнедеятельности, такой как пролиферация, дифференциация и увядание клеток, внутриклеточный канал передачи сигналов является ключом к анализу изменений в физиологическом состоянии клеток в условиях микрогравитации. Ко Ён ИнTDCCS - 3D Микрогравитационная трехмерная клеточная системаС помощью технологии трехмерного вращения с низким сдвигом точно построена среда моделирования микрогравитации класса 10 ⁻G, которая обеспечивает стабильную и надежную экспериментальную платформу для изучения влияния микрогравитации на внутриклеточную передачу сигналов и продвигает соответствующие исследования от теории к применению.

Основные механизмы изменения клеточной передачи сигналов в условиях микрогравитации

Восприятие и реакция клеток на внешние механические стимулы зависят от взаимодействия механических рецепторов на поверхности клеточной мембраны и нисходящих сигнальных каналов. Микрогравитационная среда, созданная системой TDCCS - 3D, изменяет механическую микросреду клетки и перестраивает внутриклеточную сеть передачи сигналов из источника, а ее основной механизм сводится к трем пунктам.

1. Активация и реконструкция механических рецепторов.

   Механические рецепторы, такие как целлюлиты, кальциевые слизистые белки, ионные каналы (такие как Piezo1) на поверхности клеточной мембраны, являются « авангардными часовыми » клеточного восприятия гравитационных изменений. В условиях микрогравитации клеточная стенка и растягивающее состояние изменяются, а режим соединения целлюлозы с внеклеточной матрицей корректируется, что, в свою очередь, вызывает изменения конфигурации и агрегационную активацию. Активированные целлюлозы активируют липкую порфиразу (FAK) вниз по течению, запускают сигнальный вал FAK - Ras - ERK и регулируют рекомбинацию клеточного скелета. Кроме того, ионный канал Piezo1 открыт при механических изменениях натяжения, вызванных микрогравитацией, и опосредует поток ионов кальция, обеспечивая активирующий сигнал для кальциевозависимого сигнального пути.

2. 
   

3. Реорганизация клеточного скелета

   Микрогравитационная среда оказывает значительное влияние на сборку и распределение клеточного скелета (микронити, микротрубки, промежуточные волокна). Степень полимеризации микронитей миозина снижается, образование клеточного лицемерия подавлено, что приводит к трансформации клеточной формы в сферическую форму; Динамическая нестабильность микротрубок усиливается, что влияет на позиционирование клеточных органов и транспортировку веществ. Реконструкция клеточного скелета не только изменяет механические свойства клеток, но и регулирует активность сигнальных путей посредством взаимодействия с сигнальными молекулами. Например, декомпрессия микроскопического скелета может подавлять активность членов семейства ферментов Rho GTP, что, в свою очередь, влияет на передачу сигналов, связанных с миграцией клеток; Изменения в структуре микротрубок могут мешать поглощению и передаче сигналов рецепторов - рецепторов в канале Notch.

4. 
   

5. 
   

6. Реакция и регулирование второй системы

   Вторые межклеточные посланники (например, cAMP, Ca², IP3) являются важными промежуточными телами для передачи сигналов, и их концентрации изменяются со значительной регулярностью в условиях микрогравитации. Система TDCCS - 3D спроектирована таким образом, чтобы избежать повреждения клеточной мембраны механическим повреждением и обеспечить стабильный отклик системы второго мессенджера. Микрогравитация может изменять концентрацию cAMP в клетках путем активации аденозинконуклеаза или фосфатдиэстеразы, регулируя активность белкового киназа A (PKA), что, в свою очередь, влияет на размножение и дифференциацию клеток. В то же время повышенное внутреннее течение ионов кальция активирует кальциевый модулятор (CaM), запускает сигнальный путь Cam - Camk II, участвует в регуляции экспрессии генов. Эти изменения второго посланника, такие как « регуляторы» в сетях передачи сигналов, способствуют адаптивной корректировке физиологического состояния клеток.

7. 
   

II. Ключевые клеточные сигнальные пути и эффекты регулирования микрогравитации

1. Сигнальный путь Wnt / β - catenin

   Путь Wnt является основным путем регулирования поддержания многофункциональности стволовых клеток и направленной дифференциации. В условиях микрогравитации активность гликогена - синтетической фермента киназы 3 β (GSK - 3 β) в клетках подавляется, что приводит к снижению уровня фосфорилирования бета - катенина, который затем накапливается в цитоплазме и переходит в ядро, связываясь с транскрипционными факторами Tcf / Lef, активируя экспрессию генов, связанных с множественностью (например, Oct4, Sox2, Nanog). Экспериментальные данные показывают, что после культивирования стволовых клеток в системе TDCCS - 3D уровень активации канала Wnt значительно улучшился, экспрессия многоэнергетического маркера повысилась более чем на 30%, а способность клеток к самообновлению значительно улучшилась. Кроме того, микрогравитационное регулирование канала Wnt имеет особенности типа клетки, и для опухолевых клеток оно может снизить размножение и инвазивную способность клеток, подавляя аномальную активацию канала Wnt.

2. 
   

3. Сигнальный путь PI3K / AKT / mTOR

   Путь PI3K / AKT / mTOR является ключевым путем регулирования энергетического обмена, роста и выживания клеток. Микрогравитационная среда может активировать PI3K по сигнальной оси синтеза - FAK, что приводит к каталитическому преобразованию фосфатидилмиолдифосфатной кислоты (PIP2) в фосфатилилмиолтрифосфатную кислоту (PIP3), которая, в свою очередь, рекрутирует АКТ в клеточную мембрану и вызывает активацию фосфатированием. Активированный АКТ может дополнительно активировать комплекс mTOR, регулировать биосинтез рибосом и перевод белка, влияя на скорость роста клеток. В то же время активация пути mTOR подавляет экспрессию генов, связанных с аутофагией, и снижает уровень аутофагии в клетках. В системе TDCCS - 3D путь PI3K / AKT / mTOR стволовых клеток находится в состоянии умеренной активации, обеспечивая выживание и размножение клеток и избегая дифференциации, вызванной чрезмерной активацией; Для поврежденных клеток активация этого пути может повысить устойчивость клеток к повреждениям, подавляя экспрессию связанных с апоптозом белков, таких как Bax.

4. 
   

5. Сигнальный канал MAPK / ERK

   Каналы MAPK / ERK участвуют в регулировании различных физиологических процессов, таких как пролиферация, дифференциация и апоптоз клеток. В условиях микрогравитации активация синтеза может активировать MAPK - киназу (Raf) с помощью белка Ras, который затем запускает каскадную реакцию сигнала MAPK, которая приводит к фосфорилированию ERK и переходу в ядро клетки, регулируя экспрессию гена - мишени ниже по течению. В процессе направленной дифференциации стволовых клеток микрогравитация направляет клетки к определенной родословной, регулируя последовательность и интенсивность активации канала ERK. Например, при дифференциации костных клеток непрерывная активация ERK - пути может способствовать экспрессии генов, связанных с костью, таких как Runx2, OCN; При дифференциации нервных клеток умеренная активация ERK - каналов способствует росту нейронов. Характеристики системы TDCCS - 3D с низким сдвигом позволяют избежать неспецифической активации канала MAPK механической стимуляцией и гарантируют точность и повторяемость результатов эксперимента.

6. 
   

7. Сигнальный путь Notch

   Путь Notch играет ключевую роль в определении судьбы клеток. Микрогравитационная среда может изменить эффективность связывания рецепторов Notch с рецепторами, влияя на распределение клеточного скелета. В трехмерной микрогравитационной системе клетки концентрируются в организме с более тесным межклеточным контактом, и повышается вероятность связывания рецепторов Notch (например, Jagged1) с рецепторами, что приводит к резке рецепторов Notch, высвобождению внутриклеточного сегмента (NICD) и переходу в ядро клетки, активируя экспрессию генов - мишеней (таких как Hes1, Hey1). Для гемопоэтических стволовых клеток активация канала Notch поддерживает его сухость и способствует его размножению в кроветворные предшественники; Для клеток печени умеренная активация этого пути способствует поддержанию их полярных функций.

8. 
   

Технические преимущества системы TDCCS - 3D в исследованиях клеточной передачи сигналов

1. Точное и контролируемое моделирование микрогравитации

   Система поддерживает регулировку гравитационного градиента в широком диапазоне от 10 ⁻G до 3G и может гибко устанавливать параметры микрогравитации в соответствии с исследовательскими потребностями различных типов клеток для достижения точного регулирования микросреды клеточной механики. В то же время конструкция с низким сдвигом (сила сдвига 0,01 Па) уменьшает помехи, создаваемые механическими стимулами для клеток, избегает активации неспецифических сигнальных каналов и гарантирует специфичность исследований передачи сигналов.

2. 
   

3. Трехмерная культура восстанавливает физиологическое состояние организма

   По сравнению с традиционной двумерной культурой трехмерная среда культивирования, построенная системой TDCCS - 3D, ближе к состоянию роста клеток в организме. Клетки образуют кластеры в трехмерном пространстве, взаимодействие между клетками и передача сигналов более соответствуют физиологической реальности, могут действительно отражать изменения в передаче клеточных сигналов в условиях микрогравитации в организме. Кроме того, система совместима с различными культурными расходными материалами, поддерживает эксперименты с общей культурой и может имитировать сложный обмен сигналами между клетками.

4. 
   

5. Полный мониторинг и отслеживание данных

   Система оснащена трехосной системой мониторинга в реальном времени, которая может записывать в реальном времени ключевые параметры, такие как градиент гравитации, температура и pH в процессе культивирования, чтобы обеспечить стабильность и согласованность экспериментальных условий. Полная запись данных позволяет исследователям проследить экспериментальный процесс, проанализировать связь между изменением параметров и активацией сигнального пути и повысить надежность результатов.

6. 
   

Прикладная ценность: от фундаментальных исследований к биомедицинской трансформации

1. Исследования стволовых клеток и регенеративная медицина

   Регулируя сигнальные пути, такие как Wnt, PI3K / AKT, система TDCCS - 3D оптимизирует условия культивирования стволовых клеток, повышает эффективность их многофункционального поддержания и направленной дифференциации и обеспечивает техническую поддержку для крупномасштабного производства функциональных клеток. Например, в исследованиях дифференциации интерплазменных стволовых клеток к хрящевым клеткам микрогравитация значительно улучшила экспрессию специфических маркеров хрящевых клеток, регулируя путь MAPK, обеспечивая высококачественные семенные клетки для хрящевой ткани.

2. 
   

3. Моделирование онкологических заболеваний и разработка лекарств

   В условиях микрогравитации сигнальный путь опухолевых клеток ближе к состоянию опухолевой ткани в организме и может быть использован для построения более реалистичных моделей онкологических заболеваний. Изучая механизм аномальной активации сигнальных путей, можно отобрать целевые препараты. Например, использование системы TDCCS - 3D для скрининга лекарств, которые подавляют путь PI3K / AKT, может эффективно подавлять размножение опухолевых клеток и обеспечивать надежную платформу скрининга для разработки противоопухолевых препаратов.

5. Исследования в области космической биологии

   Эта система имитирует микрогравитационную среду, которая может использоваться для изучения влияния космической микрогравитации на физиологические функции клеток космонавтов, анализа закономерностей изменения каналов передачи сигналов в космической среде и обеспечения теоретической основы для обеспечения здоровья космонавтов. В то же время соответствующие результаты исследований также могут обеспечить техническую поддержку для развития космической фармацевтики, культивирования космических клеток и других областей.