Механотрансдукция и функциональный ответ костной ткани на механическую деформацию

Механотрансдукция играет важную роль в физиологии многих тканей, в том числе костной. Механическая нагрузка in vivo может подавлять резорбцию кости и усиливать костеобразование. В костной ткани процесс механотрансдукции можно разделить на четыре этапа: (1) механическое сопряжение, (2) биохимическое сопряжение, (3) передача сигнала и (4) ответ эффекторных клеток.

На этапе механического сопряжения механическая нагрузка in vivo вызывает деформацию кости, растягивает костные клетки, расположенные внутри костного матрикса и выстилающие его поверхность, а также обусловливает движение жидкости в костных канальцах. Динамическая нагрузка, связанная с током внеклеточной жидкости и возникновением потенциалов течения в костной ткани, наиболее эффективно стимулирует образование новой костной ткани in vivo. Клетки костной ткани in vitro начинают вырабатывать вторичные посредники при воздействии потока жидкости или механического растяжения.

При биохимическом сопряжении возможные механизмы преобразования механических сигналов на уровне клетки во внутриклеточные биохимические сигналы включают передачу усилия через структуру «интегрины — цитоскелет — ядерный матрикс», растяжением активируемые катионные каналы клеточной мембраны, G-белок-зависимые пути, а также взаимодействие цитоскелета с путями фосфолипазы C или фосфолипазы A. Тесное взаимодействие между всеми этими путями позволяет предположить, что механосенсором служит вся клетка и что для передачи механического сигнала существует множество различных механизмов.

На этапе передачи сигнала остеобласты, остеоциты и клетки, выстилающие поверхность кости, могут воспринимать механические сигналы и передавать их по клеточным отросткам, соединённым щелевыми контактами. Эти клетки также вырабатывают паракринные факторы, которые могут стимулировать остеогенные клетки-предшественники к дифференцировке в остеобласты и прикреплению к поверхности кости. Возможными посредниками передачи сигнала служат инсулиноподобные факторы роста и простагландины.

Ответ эффекторных клеток на механическую нагрузку зависит от её величины, продолжительности и скорости приложения. Более длительная нагрузка меньшей амплитуды оказывает на костеобразование такой же эффект, как кратковременная нагрузка большой амплитуды. Для стимуляции образования новой костной ткани нагрузка должна быть циклической. Старение значительно снижает остеогенный эффект механической нагрузки in vivo. Кроме того, некоторые гормоны могут взаимодействовать с локальными механическими сигналами, изменяя чувствительность клеток-рецепторов или эффекторных клеток к механической нагрузке.