биология кратко — Стр 4
1.Этапы методов генной инженерии:
I. Получение генетического материала.
II. Встраивание фрагментов ДНК в молекулу-вектор. III. Введение рекомбинантных ДНК в клетку-реципиент.
IV. Селекция клонов клеток, содержащих молекулы гибридной ДНК.
2.Получение генетического материала.
Химико-ферментативный синтез генов. In vitro синтезируют корот-
кие (8–16 нуклеотидов) одноцепочечные фрагменты ДНК, которые затем соединяют с помощью лигаз и воздействуют высокой температурой для образования двухнитевых молекул ДНК. Для этого метода ген должен быть секвенирован (известна последовательность нуклеотидов).
Ферментативный синтез сложных генов. Проводят с помощью об-
ратной транскрипции. В качестве матрицы используют выделенную иРНК. С помощью фермента ревертазы на ней синтезируют кодирующую нить ДНК, которую затем реплицируют. Полученные гены не функционируют в клетках, так как не имеют промотора и регуляторной части. При переносе в бактерию к структурным генам присоединяют промотор, и ген начинает работать.
Выделение природных генов с помощью рестриктаз. Рестриктазы —
ферменты, вызывающие гидролиз ДНК с образованием более коротких фрагментов молекулы. Они действуют на ДНК любых организмов, если в ней есть распознаваемые сайты (обычно распознают строго специфичные для каждого фермента участки длиной в 4–6 пар нуклеотидов). Эти участки называются палиндромы.
Сейчас в генной инженерии существует более 2000 рестриктаз, способных разрезать ДНК примерно в 230 различных местах, и образующих в ДНК двухнитевые (тупые) концы или однонитевые (липкие) концы.
Выделение гена с помощью рестриктаз имеет ряд недостатков:
не всегда можно подобрать рестриктазы, позволяющие вырезать из ДНК участок, в котором содержится необходимый ген;
в составе вырезанного фрагмента ДНК могут оказаться интроны, и рекомбинантные ДНК не смогут работать в прокариотических клетках, изза отсутствия способности к процессингу и сплайсингу.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР), К. Мюллис, 1980 г. Позволяет амплифицировать (размножать) ДНК или ее фрагмент in vitro. ПЦР осуществляют в пробирке с помощью специального термостабильного фермента ДНК-полимеразы (Taq-полимеразы), набора четырех нуклеотидов А,
Т, Г и Ц и коротких олигонуклеотидных затравок-праймеров. Фермент
Taq-полимераза выделен из термофильных бактерий Thermus aquaticus. Оптимум активности этого фермента отмечается при температуре 70 ºС и чем выше температура, тем выше скорость катализируемой химической реакции.
| На главную / Новости / ИПТГ (изопропил-бета-галактопиранозид) со склада в Москве по спеццене 18.08.2018 ИПТГ, или изопропил-бета-галактопиранозид — реагент, используемый в молекулярной биологии, в первую очередь — в генной инженерии. ИПТГ — это молекулярный аналог аллолактозы, являющейся индуктором транскрипции генов под контролем lac-оперона. Но, в отличие от аллолактозы ИПТГ не гидролизуется бета-галактозидазой, поэтому его концентрация остаётся постоянной. Это важно при культивировании микроорганизмов-продуцентов рекомбинантных белков, поскольку не требуется регулярное внесение индуктора в культуру, достаточно сделать это один раз.
Фильтр Цена в валюте производителя / в рублях
А также: Фильтр Цена в валюте производителя / в рублях
| |||||||||||||||||||||||||||||||||
Биологи МГУ выяснили, что загрязнение вод нефтепродуктами опасно для сердца рыб
Международный коллектив исследователей под руководством Дениса Абрамочкина, ведущего научного сотрудника кафедры физиологии человека и животных биологического факультета МГУ, выяснил, как фенантрен – один из компонентов нефти и дизельного топлива – влияет на работу сердца рыб. В экспериментах на Беломорской биологической станции имени Н.А. Перцова биологического факультета МГУ учёные выявили механизм действия фенантрена на электрическую активность миокарда рыб на примере арктической рыбы наваги. Наблюдаемый кардиотоксический эффект фенантрена может привести к развитию нарушений ритма рыбьего сердца вплоть до его остановки. Исследование поможет найти новые способы по уменьшению негативных последствий разливов нефти. Результаты опубликованы в престижном журнале AquaticToxicology. Работа выполнена в рамках деятельности научно-образовательной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология».
В последние годы человечество приступило к активному освоению нефтегазовых ресурсов Арктики. Для работы в суровых условиях Севера применяются самые совершенные и экологически безопасные технологии, тем не менее полностью исключить вероятность техногенных аварий в арктическом поясе нельзя. К примеру, в 1989 году в результате крушения танкера Эксон Валдис у берегов Аляски более 35 тысяч тонн нефти попало в океан. Нефтепродукты негативно влияют на разные органы и системы живых организмов, однако механизмы этого воздействия изучены недостаточно подробно.
Коллектив учёных из России и Великобритании под руководством сотрудника биологического факультета МГУ выяснил, как воздействует фенантрен – полициклическое ароматическое соединение, один из компонентов нефти и нефтепродуктов – на сердце рыб. В качестве модельного объекта была выбрана распространенная в арктических морях тресковая рыба северная навага (лат. Eleginus nawaga).
«Полициклические ароматические углеводороды являются одними из основных компонентов нефти и в предыдущих работах была показана их способность вызвать нарушения нереста рыб, разнообразные аномалии развития, приводящие к гибели икринок или появлению нежизнеспособных мальков, — рассказал главный автор исследования, ведущий научный сотрудник биологического факультета МГУ Денис Абрамочкин. – Значительно хуже изучено действие таких соединений на взрослых рыб, в частности на их сердечно-сосудистую систему».
Исследование проходило на Беломорской биологической станции имени Н.А. Перцова биологического факультета МГУ. Биостанция расположена на берегу Кандалакшского залива Белого моря, где не было масштабных загрязнений акватории нефтепродуктами, а значит местная навага не подвергалась их воздействию. Эксперименты проходили на отдельных клетках сердца, кардиомиоцитах, полученных путем обработки сердец наваги ферментами, разрушающими соединительную ткань.
Изменение формы потенциала действия в желудочковом кардиомиоците наваги под действием микромолярных концентраций фенантрена // Источник: Денис Абрамочкин, МГУ Электрическая активность сердца и отдельных кардиомиоцитов критически важна для их работы. Без электрического возбуждения кардиомиоцита нет и его сокращения. В покое мембрана кардиомиоцита имеет с внутренней стороны негативный электрический заряд. Возбуждение клетки представляет собой резкую перезарядку мембраны – в течение нескольких миллисекунд она приобретает положительный заряд, этот процесс называется деполяризацией. Затем в течение уже сотен миллисекунд происходит постепенная реполяризация – мембранный потенциал возвращается к исходным негативным значениям.Комплекс из деполяризации и реполяризации физиологи называют потенциалом действия. От конфигурации потенциала действия в отдельных кардиомиоцитах зависят свойства электрической активности целого сердца. В свою очередь, его конфигурация определяется токами ионов через несколько видов особых мембранных белков, ионных каналов. С использованием техники пэтч-кламп, позволяющей регистрировать отдельные виды ионных токов в кардиомиоцитах, исследователи выяснили, как каждый из них изменяется под действием микромолярных концентраций фенантрена и как при этом видоизменяется форма потенциала действия. Оказалось, что основной мишенью для фенантрена являются каналы ERG, переносящие быстрый калиевый ток задержанного выпрямления IKr, основной ток, отвечающий в сердцах рыб за процесс реполяризации. Блокируя этот ток в концентрациях от 1 до 10 мкМ, фенантрен вызывает удлинение потенциала действия.
«Надо сказать, что избыточное удлинение потенциала действия в кардиомиоцитах желудочков сердца способствует возникновению желудочковых аритмий, которые могут привести к остановке сердца. В нашем сердце есть «страховочные механизмы», другие калиевые токи задержанного выпрямления, позволяющие не допустить такого развития событий даже в случае существенного подавления IKr. А вот у рыб такой страховки нет, поэтому для их сердца фенантрен очень опасен как потенциальный индуктор аритмий, – пояснил Денис Абрамочкин. – Существенное воздействие на кардиомиоциты фенантрен оказывал даже в концентрации 1 μМ, в то время как в кровяном русле людей были зарегистрированы и втрое превышающие это значение его концентрации».
Итак, механизм электрофизиологических эффектов фенантрена в рыбьем сердце теперь ясен. Также определены концентрации этого соединения, опасные для наваги, одной из промысловых морских рыб нашего Севера. Эти знания позволят лучше оценить потенциальное влияние разливов нефти на биоресурсы Арктики и предложить новые способы по уменьшению их негативных последствий.
«Препарат для лечения COVID-19 скоро не появится» Доктор биологических наук Ирина Ленева рассказала о том, что происходит в медицинской химии: Общество: Россия: Lenta.ru
Пока вся страна пристально наблюдает за разработкой и дальнейшей судьбой вакцин от новой коронавирусной инфекции COVID-19, медицинская химия тоже не стоит в стороне. О том, что происходит в этой сфере, в частности, о вакцинах, противовирусных препаратах и новом online-исследовании, «Лента.ру» поговорила с доктором биологических наук, заведующей лабораторией экспериментальной вирусологии НИИ вакцин и сывороток имени Ильи Мечникова Ириной Леневой.
«Лента.ру»: Мы видим, как противовирусные препараты один за одним не проходят клинические испытания, оказываясь неэффективными. Наверное, самый яркий пример — гидроксихлорохин.
Ирина Ленева: Сейчас ни один лекарственный препарат не может быть признан полностью эффективным и безопасным на основании имеющихся данных, но нужно понимать, что вирус новый, данных крайне мало, и выбор терапии должен основываться на сопоставлении накопленной доказательной базы. Получить ее можно только в ходе практического применения, пока не появятся результаты клинических исследований. Но тут тоже не все так просто. В начале эпидемии ВОЗ анонсировал проведение международного исследования SOLIDARITY, но пока ни один препарат из исследованных в нем не показал обнадеживающих результатов, это противомалярийные хлорохины, противовирусный препарат лопинавир/ритонавир, применяемый при ВИЧ, и ряд других.
Вроде бы есть обнадеживающие результаты доклинических исследований, а результаты клинических уже противоположные. С чем это может быть связано?
Коронавирусная инфекция COVID-19 — это, по сути, два заболевания — первое, острая респираторная вирусная инфекция и вирусная пневмония, которые перетекают во второе состояние — бактериальная пневмония и далее иммунопатология легких, связанная с неконтролируемым выбросом цитокинов. Это такие факторы воспаления, которые называются «цитокиновый шторм», что в итоге и проводит к разрушению легких и летальному исходу. При этом вирус в организме погибает за счет иммунного ответа довольно быстро. Зачастую, большая часть периода, когда вирус живет в организме, — это бессимптомная стадия. А вот когда организм не может остановить развивающийся иммунный ответ за счет противовоспалительных механизмов — и происходит «цитокиновый шторм», и это уже серьезное состояние, требующее госпитализации.
Гидроксихлорохин
Фото: Globallookpress.com
Бессимптомное течение или очень слабо выраженная симптоматика, а также короткий период размножения вируса приводят к сложностям, с которыми сталкиваются разработчики противовирусных препаратов. Когда человек начинает чувствовать первые симптомы, то иммунный ответ уже побеждает вирус, поэтому противовирусные препараты кажутся неэффективными из-за позднего начала этой терапии. Однако дальнейшее развитие болезни зависит от того, насколько рано она началась и от состояния иммунной системы самого человека.
Помогут ли противовирусные препараты, если развиваются «цитокиновый шторм» или бактериальная пневмония?
Конечно, каждое из этих состояний лечится абсолютно по-разному, и вторая, иммунопатологическая стадия уже напрямую не связана с вирусом, его в организме уже нет.
Именно поэтому в клинические исследования необходимо включать заболевшего человека как можно раньше, в самые первые часы, как появились симптомы. В некоторых исследованиях мы видим, как тяжелых пациентов, уже подключенных к ИВЛ, пытаются лечить противовирусными препаратами, но они им не помогут, терапия должна быть другая.
Значит ли это, что даже не в рамках клинических исследований человек должен начинать лечение как можно раньше?
Да, именно по вышеописанным причинам начинать лечение нужно как можно раньше, а лучше сразу после контакта с зараженным человеком применять препараты, показанные для постконтактной профилактики вирусных инфекций. В Методические рекомендации Минздрава РФ включены как противовирусные препараты, имеющиеся в стандартах лечения других стран, так и отечественные противовирусные и иммуномодулирующие препараты, ранее зарегистрированные по другим показаниям. Это интерфероны, индукторы интерферонов, полиоксидоний, галавит, умифеновир, известный как арбидол. Надо отметить, что из этих препаратов арбидол также включен в стандарты лечения в Китае, экспериментальные данные об его активности получены в нескольких лабораториях мира, а клинические испытания арбидола, правда, на небольшой группе пациентов, которые показали его положительный эффект на продолжительность симптомов заболевания, были проведены в Китае.
Арбидол давно известен как препарат от гриппа, подходит ли он для лечения COVID-19?
Не совсем так, активный компонент арбидола — умифеновир — обладает способностью блокировать процесс соединения вируса с клеткой человека, прикрепляясь к особому белку на поверхности вируса. Так вот у всех вирусов со сходной структурой поверхностного белка молекула умифеновира может блокировать процесс проникновения в клетку. Так, у нового коронавируса это S-белок, а у вируса гриппа — гемагглютинин. Поэтому арбидол относится к группе противовирусных препаратов широкого спектра действия.
Ирина Ленева
Фото: из личного архива
Какие перспективы у других противовирусных препаратов?
Более вероятно применение уже существующих противовирусных препаратов для лечения COVID-19. Так, например, зарегистрированный в России японский фавипиравир изначально был разработан также для лечения гриппа. Для него проведены клинические исследования, которые показали определенную эффективность по сравнению с симптоматической терапией.
Сейчас проходят клинические испытания довольно много препаратов. В основном это иммунологические препараты — моноклональные антитела, которые блокируют действие цитокинов, тем самым снижая последствия «цитокинового шторма». Но и противовирусные препараты также проходят клинические испытания, например, ремдесивир, и иммуномодуляторы — полиоксидоний. Но публикаций с результатами этих исследований еще нет, а протоколы исследований не выложены в открытом доступе, поэтому более подробно об их перспективах сказать не могу.
Когда появится специфический препарат для лечения COVID-19?
Думаю, что в обозримом будущем не появится. Тут есть несколько причин, во-первых, разработка высокоспецифичного препарата, действующего именно на новый коронавирус SARS-CoV-2 может занять от 5 до 20 лет. Такой проект будет включать синтез сотен потенциальных соединений, оценку их противовирусной активности, выбор наиболее активного и полный цикл доклинических и клинических исследований.
Но действительно специфическим средством является вакцина.
Вакцинация добровольца против COVID-19
Фото: Владимир Песня / РИА Новости
Отпадет ли потребность в противовирусных препаратах после широкого применения вакцины?
Опыт борьбы с гриппом показывает, что вакцина хоть и является средством специфической профилактики, иммунный ответ во многом зависит от состояния организма. У людей с ослабленным иммунитетом, хроническими заболеваниями или лишним весом вакцина вызывает более слабый ответ, чем у здоровых. Но именно эти люди относятся к группам риска, сопряженного с развитием более тяжелого течения коронавирусной инфекции, поэтому противовирусная профилактика и терапия, думаю, даже после вакцинации для них останется актуальной.
Еще один момент. Пациенты из групп риска зачатую не попадают в клинические исследования эффективности препаратов или вакцин, и действие у них можно оценить уже после начала массового применения. Поэтому важны эпидемиологические исследования, показывающие, что происходит в реальной практике, а не в контролируемых и жестко регламентированных условиях клинических исследований.
Кто проводит такие исследования и для чего они нужны?
В Китае, где эпидемия началась, опубликовали десятки эпидемиологических исследований, которые рассказывали о том, как лечились заболевшие коронавирусом, какие препараты им назначали и какая была эффективность у этих препаратов. В России таких исследований пока мало, хотя опыт нашей страны крайне интересный, есть единичные статьи по отдельным популяциям, данные по лабораторным анализам, клинические случаи, но общего эпидемиологического среза еще нет. К сожалению, не все люди обращаются к врачу, и все-таки самолечение у нас широко распространено.
Почему нельзя полностью копировать опыт других стран?
Нужно учитывать особенности структуры системы здравоохранения, доступность противовирусных препаратов, географические особенности, поэтому результаты эпидемиологических исследований не могут быть просто заимствованы другими странами, требуется проведение собственных национальных исследований.
С другой стороны, уникальность ситуации в России — это лечение в домашних и неконтролируемых условиях. Только у нас в России вполне широкий доступ к рецептурным препаратам, и яркие примеры — это «Плаквенил» и «Калетра», которые в самом начале распространения коронавируса полностью распродали. Это одна из причин, по которой любые данные, полученные от переболевших, могут быть интересны. Такой проект должен стать общенациональным.
Фото: Антон Ваганов / Reuters
И как же собрать такие данные?
Научно-исследовательский институт вакцин и сывороток имени Мечникова уже проводит эпидемиологическое исследование коронавирусной инфекции в России в виде интернет-опроса. Принять участие могут люди, которые перенесли COVID-19, болели бессимптомно, но имели положительный результат анализа, или люди с симптомами, указывающими на коронавирусную инфекцию без лабораторного подтверждения анализа.
Опрос состоит из нескольких разделов — информация о течении болезни, какие были симптомы, как проходило лечение и дополнительно несколько вопросов о том, как чувствует человек себя сейчас.
Где и как можно пройти этот опрос?
Опрос может пройти любой желающий в любое время по ссылке. Мы распространяем информацию об исследовании силами нашего института и партнеров. Рассчитываем на поддержку медиа и государственных органов здравоохранения. Также у нас есть баннер, который распространяем офлайн, с QR-кодом, отсканировав который каждый человек сможет поучаствовать в исследовании со своего смартфона.
Как можно будет узнать о результатах?
Чтобы результаты получились достоверные, нам нужно много респондентов, не менее трех тысяч человек, поэтому очень важен каждый ответ. Результаты планируем опубликовать в научном журнале, и каждый желающий сможет их прочитать.
Подробности исследования на сайте «ФГБНУ Научно-исследовательский институт вакцин и сывороток им. И. И. Мечникова». А пройти опрос можно здесь.
Быстрая доставка новостей — в «Ленте дня» в Telegram
Исследовательская и проектная деятельность учащихся во внеурочное время по химии и биологии | Химия
Исследовательская и проектная деятельность учащихся во внеурочное время по химии и биологии
Автор: Сикорская Юлия Ивановна
Организация: МОУ СОШ №12
Населенный пункт: Ставропольский край, г.Новоалександровск
Как вы думаете, для чего нужна школа? Для чего дети ходят в школу?
(учиться, общаться, получать знания, творчески раскрыться)
Вы уверены, что это действительно так? Мне кажется, что в процессе обучения, ученик реализует свои собственные цели: личностные, предметные, креативные, когнитивные и т.п.)
Что же мы, учителя, можем сделать, чтобы дети почувствовали необходимость знаний?
Действительно, необходимо удивить и возбудить интерес к процессу познания, сформировать устойчивый познавательный интерес.
Однако, мы слишком часто даем детям ответы, которые надо выучить, а не ставим перед ними проблемы, которые надо решить.
На мой взгляд, наиболее успешно этого можно достичь с использованием технологии исследовательской и проектной деятельности (СЛАЙД №1)
Цель мастер-класса: определить наиболее эффективные механизмы и средства вовлечения учащихся в проектную и исследовательскую деятельность
Идея моего опыта заключается в том, что правильно организованная проектная и исследовательская деятельность на уроке и во внеурочное время способствует развитию творчества и инициативы, постижению истин природы.
Использование технологии исследовательской и проектной деятельности позволяет мне не давать готовых ответов, а формировать основы исследовательского мышления.
Как рождаются темы исследовательских работ? Природа сама удивляет и наталкивает на их рождение. Биология и химия – это экспериментальные науки, они дают широкие возможности для реализации выбранной мною технологии. Сегодня, я представлю вам свой путь организации исследовательской работы с учащимися.
Однажды, один мой ученик рассказал историю о том, что, отдыхая весной с родителями на природе, обратил внимание на мертвых рыб в пруду.
— Это действительно были мертвые рыбы, — уточнила я.
— Да, процесс разложения уже начался — утвердительно сказал ученик. Почему же они погибли??? А можно ли рыбу из этого водоема употреблять в пищу? СЛАЙД №2
Эти вопросы — мотивация к активной познавательной деятельности. Это индуктор, который запускает процессы мышления, создает основу для формирования активного познания. Индуктором может быт что угодно: вещество, предмет, явление, песня, высказывание и т.д.
Уважаемые коллеги, а на ваш взгляд, каковы могли быть причины гибели рыб? (ответы)
- замор рыб от нехватки кислорода
- нерест и как следствие – ослабление, болезнь и гибель
- ядохимикаты
- стекание растаявшего снега с полей, который смывает с собой удобрения, остатки пестицидов и протравителей. Весной подымаются грунтовые воды, которые вымывают содержимое из туалетов и мусорных свалок
И так, мы выдвинули несколько гипотез. Это второй этап организации исследования.
- Как же в этом многообразии гипотез, предположений, выбрать наиболее вероятное?
Здесь необходимо исходить из условий и возможностей школьной лаборатории, уровня знаний учащихся. Например, ответить на вопрос: «Можем ли мы проверить уровень предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в рыбе?» Вряд ли, поэтому необходимо остановиться на наиболее вероятной.
- А как бы вы проверили гипотезы? (провести опыт, эксперимент, смоделировать ситуацию, что позволит либо подтвердить, либо опровергнуть гипотезу)
- Какие науки помогут дать обоснованный ответ на возникшие вопросы? (биология, с/х экология, гидрохимия и т.д.)
Вот мы с вами прошли второй этап исследования — выдвижение гипотезы и формулирование проблемы.
Какие методы и оборудование помогут нам смоделировать условия задачи и поставить эксперимент?
- Моделирование и Наблюдение
- Опыт и эксперимент
- Работа с источниками интернета и электронными ресурсами
- Анкетирование
- Видео и фотосъемка
- Анализ и Беседа
- Сравнение и Систематизация
- Социологический опрос и Встречи со специалистами
Зачастую, в этой ситуации любой исследователь встречается с проблемой разрыва, несоответствия своего старого знания новому.
(В нашем случае учащиеся знают, что это рыбы… являются звеном пищевой цепи…накопление тяжелых металлов в рыбе… А далее? Где гарантия пищевой безопасности. А что мы вообще знаем о тяжелых металлах???). А ведь тяжелые металлы не изучаются в школьном курсе химии, биологии… вот тут и срабатывает ИНДУКТОР — мотив для работы и поиска информации.
Именно это побуждает обратиться различным источникам информации. СЛАЙД №3-6…
Вот на этом этапе начинает «кипеть» работа…изучение литературы, подборка методик для определения ТМ в рыбе, выезд на пруд, визуальное его изучение: расположение, биоразнообразие, фотосъемка, сбор ихтиологического материала, беседы с людьми, живущими и работающими около этого водоема.
Возникла необходимость выбора методики определения ТМ в живых организмах. В нашем случае, при выборе методики по определению ТМ в рыбе мы нашли в сети интернет множество таких методик. Возникло новое познавательное затруднение: Какая из методик отвечает нашей задаче, какая позволит при наиболее минимальном запросе ресурсов, дать наибольшую эффективность в работе и т.д.
Вместе с учащимися определили критерии выбора методики. Это были следующие постулаты:
- Методика утверждена и соответствует требованиям ГОСТ
- Прибор входит в Госреестр, соответственно результаты считаются достоверными
- Удобный временной промежуток в пробоподготовке
- Доступность по уровню сложности при подготовке проб школьником (ребенок уже знаком с реактивами, имеет элементарные навыки при проведении практической части и соблюдении ТБ)
- Прибор привязан к компьютеру, что позволяет быстро выводить графики показателей ТМ на экран
Заключающим этапом исследования (опыта, эксперимента) является презентации полученных результатов.
- Предложите свои формы представления и защиты проектов? (схема)
Результатом нашей сегодня работы – паспорт проекта, который вам позволит его использовать в своих научно-исследовательских проектах, соблюдая все этапы. Проект – это «пять П» — Проблема – Проектирование (планирование) – Поиск информации – Продукт – Презентация. (СЛАЙД №7– паспорт проекта)
А результатом моей работы над проектом стали выступления на НПК, участие в конкурсе научно-технологических проектов, мастер- классах. (СЛАЙДЫ №8-12 – мои грамоты, брошюры, дипломы ребенка)
Нашу встречу я хочу закончить словами известного немецкого педагога Карла Целе:
(СЛАЙД №13)
«Современное образование – это когда рожденных ползать и рожденных летать собирают вместе и навязчиво учат ходить на ходулях. А помочь взлететь слабо?».
Я уверена, что вовлечение учащихся в исследовательскую деятельность даст ему крылья для такого взлета, вооружит его механизмом самостоятельного решения проблем, придаст ему сил, идей и вдохновения для саморазвития
Список использованной литературы.
1. Арцев М. Н. Учебно-исследовательская работа учащихся (методические рекомендации для учащихся и педагогов) //Завуч, 2005.- № 6.- с. 4-29.
2. Бершадский М.Е. Дидактические и психологические основания образовательной технологии/ М.Е. Бершадский, В.В. Гузеев.- М.: Центр «Педагогический поиск», 2003.- 256 с.
3. Габриелян О.С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. — 6-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2002.- 208 с.:
4. Гузеев В.В. Методы и организационные формы обучения. — М.: Народ. образование, 2001. — 127 с.
5. Карпов А. О. Научное образование в современной школе // Народное образование, 2004.- № 9.- с. 47-56
6. Кульнивич С.В. Современный урок. Часть III: Проблемные уроки. Научнопрактич. пособие для учителей, студентов и аспирантов пед. учебн. заведений, слушателей ИПК.- Ростов н/Д: изд-во «Учитель», 2006.- 288 с.
7. Мухина В. С. Психологический смысл исследовательской деятельности для развития личности //Школьные технологии, 2006.- № 2.- с. 19-31
8.Набиева Е. В. Мониторинг формирования научно-исследовательской компетентности учителя /Стандарты и мониторинг в образовании, 2008.- № 5.- с. 13-17
9.Обухов А. С. Исследовательская деятельность как способ формирования мировоззрения //Народное образование, 1999.- № 10.- с. 158-161
10.Обухов А. С. Проблема оценки качества образования //Исследовательская работа школьников, 2008.- № 2.- с. 17-23
Приложения:
- file0.doc.. 59,5 КБ
- file1.pdf.. 2,2 МБ
Rapid Synthesis and Screening of Chemically Activated Transcription Factors with GFP-based Reporters
На рисунке 5 показано индукцию GFP по Z 3 EV, Z 4 EV, или GEV с течением времени. Обратите внимание на увеличение производства GFP в ответ на АССАЛХ содержащих nonyeast ДНК связывающих доменов. Недавно мы предположили, что это следует из этих факторов достижение одного гена специфичность в геноме дрожжей 1. Один GEV индукция приводит к активации / репрессии сотен генов, тогда как Z 3 EV и Z 4 EV только активировать экспрессию гена-мишени помещают ниже синтетического промотора, содержащего соответствующие сайты связывания (5′-GCGTGGGCG-3 ‘и 5’- GCGGCGGAGGAG-3 ‘, соответственно) 1.Рисунок 7 демонстрирует жесткое регулирование системы (не индуктор результатов в отсутствие обнаруживаемой GFP) и что все клетки получают индуцируется в ответ на индуктор Способность Z 3 EV индуцировать GFP по целому ряду β-эстрадиола концентрации показано на фиг.8.
ЛОР «FO: держать-together.within-страницу =» всегда «>Рисунок 1. Искусственные факторы транскрипции взаимодействовать с Hsp90 в отсутствие β-эстрадиола. Когда β-эстрадиол связывается с АТФ, Hsp90 диссоциирует, позволяя АТФ, чтобы войти в ядро и активировать экспрессию из плазмиды репортера.
Рисунок 2. Схема протокола для инженерных штаммов, содержащих искусственные транскрипционные факторы и строительство / тестирование родственные GFP журналистам.
load/51153/51153fig3highres.jpg «Первоначально» / files/ftp_upload/51153/51153fig3.jpg «/>
Рисунок 3. ACT1pr-URA3-EV последовательность в штамме yMN15 на LEU2 локуса.
Рисунок 4. Проектирование ПЦР-праймеров для амплификации ДНК-связывающий домен интерес с дополнительным гомологии последовательности, чтобы создать новый слитый белок когда успешно преобразован в yMN15.
Рисунок 5. Индукция GFP с помощью трех различных пар ATF-промотора в ответ на 1 мкМ β-эстрадиола. </ Р>
Рисунок 6. Сценарий MATLAB для потока обработки цитометрии данных. Этот сценарий был адаптирован из http://openwetware.org/wiki/McClean:_Matlab_Code_for_Analyzing_FACS_Data .
Рисунок 7. Индукция GFP по Z 3 EV в ответ на 0 μ M β-эстрадиола и 1 мкМ β-эстрадиола следующем 18 часов индукции. Флуоресценции также измеsured от клеток, не GFP, чтобы проиллюстрировать тесную регулирование EV системы Z 3. Эта цифра была создана с использованием код на рисунке 6.
Рисунок 8. Отношения между концентрацией индуктора и выхода выражение оценивается с коэффициентом Хилла, равным ~ 1. (A) Распределение выражения GFP в зависимости от β-эстрадиола концентрации. (B) Среднее флуоресценции распределений из (а). Данные были пригодны к функции G (D) = G мин + (G макс-G мин) D н / (К п + D п), где D является β-эстрадиола доза, G мин и G макс минимальная и максимальные значения GFP, разрешениеpectively, н-коэффициент Хилла, и К-β-эстрадиол доза, которая дает ½ (G + G макс мин).
| Oligonucleotide Последовательность | Название |
| 5′-TTGAAACCA AACTCGCCTCT-3 ‘ | DBD Проверьте Вперед |
| 5′-tccagagac ttcagggtgct-3 ‘ | DBD Проверить Обратный |
Таблица 1. Грунтовки для подтверждения правильного слияние DBD интереса к рецептора эстрогена. Прямой праймер гомологичен ACT1 промоутер и обратный праймер гомологичен с рецептором эстрогена. Для типичных DBDS (~ 300 б.п.), продукт ПЦР <1,5 кб.
| Oligonucleotide Последовательность | Название |
| 5′-ggccgc … DBD кайфа сайт … т-3 ‘ | Топ олиго |
| 5′-ctaga … связывающий ДНК-сайт обратный … GC-3 ‘ | Нижняя олиго |
| 5′-GCC gcGTGGGCG Т GCGTGGGCG G G CGTGGGCG Т GCGTGGGCG G GCGTG GGCG Т GCGTGGGCG т-3 ‘ | Сайты связывания Топ олиго + 6x Zif268 |
| 5′-ctagaCGCCCACGCACGCCCACGCC CGCCCACGCACGCCCACGCCCGCC CACGCACGCCCACgc-3 ‘ | Сайты связывания Нижняя олиго + 6x Zif268 |
Таблица 2. S tructure праймеров для создания двухцепочечной ДНК, содержащий сайты связывания интересов. Для создания Z 3 EV проблематику промотор, олигонуклеотиды Топ олиго + 6x Zif268 сайтов связывания и Нижняя олиго + 6x Zif268 переплета были использованы.Последовательности для создания правильных свесы ДНК находятся в нижнем регистре. Консенсус сайт связывания Zif268, GCGTGGGCG, указывается в верхнем олиго.
| Реагент | Количество |
| T4 полинуклеотидкиназой буфера | 5 мкл |
| T4 полинуклеотидкиназой (@ 10000 единиц / мл) | 1 мкл |
| Лучшие олиго (100 мкМ) | 1,5 мкл |
| Нижняя олиго (100 мкМ) | 1,5 мкл |
| Воды | 41 мкл |
Таблица 3. Фосфорилируют и отжига праймеров в амплификаторе использованием 50 мкл реакции, описанной выше. Существуют два шага амплификаторе. Шаг 1: 37 ° C 30 мин (фосфорилируют), и шаг 2: 95 ° С 30 сек (не уйти в отставку на 1 ° С каждые 30 сек, пока при 4 ° С; отжига).
| Реагент | Количество |
| XbaI | 1 мкл |
| NotI-HF | 1 мкл |
| ДНК плазмиды | 5 мкл (1-2 мкг) |
| 10x Вырезать Смарт буфера | 5 мкл |
| Воды | 38 мкл |
Таблица 4. Ограничение дайджест плазмиды pMN8 с XbaI и NotI.
| Реагент | Количество |
| Т4 лигазы Bufфер | 2 мкл |
| T4 лигазы | 0,2 мкл |
| Магистраль @ 10 нг / мкл | 1 мкл |
| Связывающие последовательности @ 5x молярной концентрации / мкл | 1 мкл |
| Воды | 15.8 мкл |
Таблица 5. Лигируют сайты связывания в ДНК плазмиды.
| Грунтовка | Описание |
| ~ 40 б.п. выше по течению от ATG + CGCACTTAACTTCGCATCTG-3 ‘ | Прямой праймер для усиления KanMX-промоутер |
| 5′-обратной комплементарной (ГПТ + ~ 37bp) + TATAGTTTTTTCTCCTTGACG-3 ‘ | Реверс PRIМер для усиления KanMX-промоутер |
| 5′-caatttgtctgctcaagaaaataaa ttaaatacaaataaaCGCAC TTAACTTCGCATCTG-3 ‘ | Прямой праймер для изготовления GCN4 промоутер своп. |
| 5′-tggatttaaagcaaataaacttgg ctgatattcggacatTATAGTT TTTTCTCCTTGACG-3 ‘ | Обратный праймер для изготовления GCN4 промоутер своп. |
Таблица 6. ПЦР амплификации KanMX-промоутер для изготовления titratible аллель.
что это, механизм действия, применение, лечение, противопоказания, что такое индукторы интерферона?
АМИКСИН® — современное противовирусное и иммуностимулирующее средство; способствует образованию в организме четырех видов интерферонов (альфа, бета, гамма и лямбда).
Узнать подробнее про АМИКСИН®…
Имеются противопоказания. Необходимо получить консультацию специалиста.
Противовирусные препараты с иммуностимулирующей активностью могут рекомендоваться как при лечении гриппа, так и других ОРВИ. С их помощью можно сократить сроки болезни и предотвратить развитие осложнений.
Узнать подробнее о препаратах…
Прием противовирусного препарата АМИКСИН® возможен на любой стадии простуды и гриппа по рекомендации врача.
Как принимать препарат?
Имеются противопоказания. Необходимо получить консультацию специалиста.
В сезон простуды и гриппа прием противовирусных и иммуномодулирующих препаратов помогает снизить вероятность заболевания.
Узнать больше о профилактике…
АМИКСИН® — современный противовирусный и иммуномодулирующий препарат, используемый в комплексной терапии целого ряда вирусных инфекционных заболеваний, в том числе гриппа, ОРВИ и герпеса.
Подробнее о препарате…
Имеются противопоказания. Необходимо получить консультацию специалиста.
Иммуномодулирующие препараты — одни из важных составляющих комплексной терапии гриппа и других ОРВИ.
Подробнее…
Справиться с вирусными инфекциями бывает очень сложно. Но в самом нашем организме есть «встроенная» система противовирусной защиты. Это специальные вещества, интерфероны. Чтобы помочь организму справиться с болезнью, медицина создала лекарственные препараты — искусственные интерфероны и стимуляторы их синтеза, о которых пойдет речь в этой статье.
Функции и механизм действия интерферона в человеческом организме
Интерферон — это белковая молекула, которая обеспечивает противовирусный иммунитет. При этом она обладает неспецифической активностью, то есть действуют не на возбудителя какого-то конкретного заболевания, а на все вирусные частицы в целом. Если сказать обобщенно, то интерферон — универсальный защитник организма, который начинает действовать еще до того, как в работу включатся остальные звенья иммунитета[1]. Препараты интерферона применяются даже в терапии онкологии: они подавляют опухолевый рост.
Клетки вырабатывают этот защитный белок в ответ на действие вирусов, бактерий, опухолевых клеток или продуктов их метаболизма. Стимулировать их выработку могут и лекарственные препараты — индукторы интерферона. Молекулы последних, попадая в кровь и межклеточную жидкость, связываются с рецепторами зараженных или поврежденных клеток. Они запускают сложный каскад реакций, приводящих к образованию специфических белков. В результате клетка перестает воспроизводить вирусные частицы, расщепляет их генетическую структуру, а поверхность этой клетки становится менее проницаемой для внутриклеточных паразитов.
Кроме действия на сами зараженные клетки, интерфероны стимулируют активность других звеньев иммунитета, контролируют воспалительную реакцию[2] и даже могут защитить организм от опухолей. Это свойство активно изучают и уже используют для борьбы с некоторыми видами рака[3].
Виды человеческого интерферона
Молекулы интерферона отличаются между собой по генетической структуре, типу клеточных рецепторов, на которые они действуют, даже по участкам ДНК, которые кодируют их состав. Все интерфероны делят на 3 типа.
- К первому типу относят альфа-интерферон, который имеет 13 различных структурных вариантов, а также бета-, каппа-, эпсилон- и омега-.
- Второй тип представлен только одним типом, гамма-интерфероном.
- Относительно недавно, в 2002 году, был открыт и третий тип молекул, лямбда-. Это отдельное семейство интерферонов, которое отличается от всех предыдущих генетическим строением и даже типом рецепторов, с которыми они взаимодействуют. Но по своей биологической активности лямбда-интерфероны очень похожи на первый тип[4].
Не стоит относиться к интерферонам как к панацее от всех бед. Во-первых, некоторые вирусы могут подавлять образование специфических белков внутри зараженных клеток, что значительно снижает эффективность противовирусной защиты.
Во-вторых, это лишь первая «линия обороны», которая стимулирует другие звенья иммунитета и временно приостанавливает продвижение «врага» по организму, давая время на выработку иммунных клеток и антител.
В-третьих, основной механизм действия интерферона — это подавление развития и деления. В физиологических дозах этот эффект контролирует размножение вирусов и опухолевых клеток. Но при введении значительных доз «чужеродного» вещества могут пострадать и собственные ткани организма, которые быстро обновляются. В первую очередь — клетки крови.
Поэтому прежде чем начинать лечение препаратами интерферона, нужно внимательно изучить пользу и возможный вред от их приема.
Применение аналогов интерферона в медицине
Лекарственные средства на основе интерферона доказали свою эффективность[5] в лечении широкого круга заболеваний: герпетических инфекций, ВПЧ, острых и хронических форм вирусного гепатита, рассеянного склероза, волчанки, гриппа и многих других вирусных и бактериальных инфекций. Применяют интерферон и при терапии онкологических заболеваний, а также СПИДа. И это притом, что по меркам медицины открыли его совсем недавно. Это произошло в 1957 году при проведении опытов на мышах. Ученые обратили внимание, что животные, заразившиеся одним вирусом, становились невосприимчивы к другому вирусному заболеванию. Это явление было названо интерференцией, а вещества, которые ему способствовали — интерферонами. Оказалось, что интерфероны вырабатываются не только у мышей, но и у всех млекопитающих, в том числе у человека. Началось изучение возможности промышленного производства веществ, обладающих противовирусным эффектом.
Однако долгое время применение интерферонов было ограничено из-за несовершенства процедуры их получения. Выделять это вещество из крови человека-донора было сложно, дорого и неэффективно.
Цифры и факты
В 1 литре крови донора содержится всего 1 мкг интерферонов. Примерно такое количество этих молекул нужно для того чтобы изготовить всего одну дозу препарата[6]. А за курс лечения тяжелых вирусных заболеваний, таких как гепатит, человек может получить около 150 доз[7].
В 1980 году в Японии впервые использовали для производства интерферона специально выращенную культуру лимфобластных клеток. А в 1981 году в США вместо клеток человека использовали культуру дрожжевых грибков. С помощью генной инженерии в геном ввели ген, который кодирует производство молекулы интерферона. Это позволило значительно упростить производство препарата[8].
По способу производства существует четыре основных разновидности этого препарата: лейкоцитарный, лимфобластоидный, рекомбинантный и пегилированный.
Лейкоцитарный интерферон получают из крови доноров. Для того чтобы усилить выработку нужных веществ, клетки предварительно стимулируют чаще всего с помощью непатогенных вирусов — таких частиц, которые не могут вызвать заболевание, но при этом воспринимаются клетками иммунной системы как «сигнальные».
После получения такой препарат очищают и концентрируют. В него могут входить все виды интерферонов и другие биологически активные вещества. Это одновременно и плюс, и минус. Преимущество такого препарата — его высокий потенциал биологического действия. Недостаток — высокая вероятность побочных эффектов при внутримышечном введении.
Лимфобластоидный интерферон получают не от человека-донора, а из культуры лимфобластных клеток, которые также обрабатывают веществами, стимулирующими иммунный ответ. Такие препараты содержат определенное соотношение различных видов интерферона и не так часто вызывают побочные эффекты.
Рекомбинантные препараты получают из культуры клеток бактерий или грибов, в которые специально внедрили участок человеческого гена. Интерферон, полученный таким образом, может немного отличаться по своему строению от «природного» человеческого. Такие препараты сохраняют противовирусную активность, но стимуляции иммунитета с их помощью добиться сложно[9].
Пегилированные, или ПЭГ-интерфероны — это рекомбинантные белковые молекулы, соединенные с полиэтиленгликолем. Такое соединение увеличило срок действия интерферона в организме.
К примеру
Если стандартный рекомбинантный интерферон при лечении вирусного гепатита C нужно вводить три раза в неделю, то пегилированный достаточно использовать один раз за то же время[10].
ПЭГ растворим в воде, не вступает в биологические реакции в организме и не вызывает иммунного ответа. При присоединении ПЭГ молекула интерферона значительно увеличивается в размерах. А это, в свою очередь, увеличивает период полувыведения препарата.
Препараты на основе интерферона: показания и противопоказания к их применению
Объединить интерфероны в однородные группы по методу получения, формам выпуска и показаниям не получится. Каждый препарат имеет свои особенности применения, эффективность при определенных заболеваниях. В зависимости от степени очистки и других факторов какие-то препараты с одним и тем же видом иммуноглобулина могут применяться только местно, а какие-то можно использовать в виде инъекций.
Например, такие препараты как «Инферон» и «Альфаферон» относят к группе лейкоцитарных интерферонов. При этом «Инферон»[11] согласно инструкции применяют внутримышечно при неуточненных вирусных заболеваниях и для иммунотерапии. «Альфаферон»[12] тоже вводят в мышцу, но при этом уже используют для лечения гепатита, микоза и даже некоторых онкологических заболеваний. А «Интерферон человеческий лейкоцитарный»[13] используют для местного применения, закапывания в нос и проведения ингаляций.
Поэтому при выборе препарата интерферона стоит ориентироваться не только на общую характеристику группы веществ, но в первую очередь на рекомендации врача и инструкцию по применению конкретного препарата.
Интерферон в виде инъекций применяют при системных заболеваниях, таких как гепатит, опухоли или рассеянный склероз. Препарат в виде капель в нос подходит для лечения риносинуситов и профилактики ОРВИ. Капли в глаза помогут при конъюнктивите. Суппозитории можно использовать при многих заболеваниях, в том числе у детей. А гель подходит для смазывания носа или кожи.
Одной из наиболее однородных групп на сегодняшний момент являются пегилированные интерфероны. Существует два основных класса препаратов с доказанной эффективностью[14] — это пегинтерферон альфа-2а и пегинтерферон альфа-2b. Представитель первого класса — «Пегасис»[15], второго — «ПегИнтрон»[16]. Оба препарата используют подкожно, один раз в неделю и применяют только для лечения хронического вирусного гепатита В и С.
Рекомбинантный интерферон — одна из самых многочисленных по торговым наименованиям групп препаратов.[17] Сюда относятся такие лекарства как «Реаферон», «Виферон», «Ингарон», «Интерфераль» и другие. Эти препараты имеют различные формы для местного применения и для инъекций. У каждого препарата в инструкции определен свой перечень показаний, но в целом — это вирусные и бактериальные инфекции.
Интерфероны защищают организм от вирусов, бактерий и опухолевых клеток. Они обладают сложным биологическим действием. Но современная медицина научилась создавать аналогичные вещества и использовать их. Однако подбор подходящего препарата — задача, которую может решить только врач.
нейробиология — Индуктивность в ячейке
В нейронах определенно есть индуктивность. Эта индуктивность создается двумя разными механизмами. 1. Катушечная структура миелиновых оболочек может вносить реальную электрическую индуктивность. Убедительным доказательством этого являются противоположные направления спирали между соседними миелиновыми оболочками.
Здесь я цитирую описание в Википедии: На стыке двух шванновских клеток вдоль аксона направления ламеллярного выступа миелиновых окончаний имеют противоположный смысл. Вы также можете проверить подробности в этой статье: Узмман Б.Г .; Ногейра-Граф Г. (1957). «Электронно-микроскопические исследования образования узлов Ранвье в седалищном нерве мыши». Журнал биофизической и биохимической цитологии. 3 (4): 589–597. DOI: 10.1083 / jcb.3.4.589
Противоположные направления спирали могут создавать положительную взаимную индуктивность между соседними миелиновыми оболочками, а затем дополнительно увеличивать скорость распространения нейронного сигнала. Между тем, легко предсказать, что миелинизированный нерв может стимулироваться магнитным полем благодаря этой катушке-индуктору.Из-за этого противоположного направления спирали результат стимуляции определяется пространственным градиентом магнитного поля. Это явление подтверждалось годами, и теперь его легко понять.
- Пьезоэлектрический эффект плазматической мембраны. Если вы проверите молекулярную структуру липидного бислоя плазматической мембраны, вы обнаружите, что это, естественно, пьезоэлектрический слой. Определение пьезоэлектрического слоя — это слой, состоящий из двух кристаллических слоев с противоположными полярностями, который точно такой же, как липидный бислой.Эквивалентная схема этого пьезоэлектрического слоя будет RLC-схемой, которая содержит эквивалентную катушку индуктивности. Поскольку катушка индуктивности не настоящая, значение используется только для согласования с частотой механического резонанса. Когда частота механического резонанса очень низкая, как в случае мягкой и тонкой плазматической мембраны, эта индуктивность будет огромной. Вот почему в статье Коула об измерении аксона кальмара эта индуктивность составляет 0,2 Гн. Тогда, как прямое предсказание, должна появиться механическая волна, сопровождаемая электрическим сигналом потенциала действия.Эта механическая волна была измерена в этой статье: Gonzalez-Perez, A., Mosgaard, LD, Budvytyte, R., Villagran-Vargas, E., Jackson, AD и Heimburg, T., 2016. Одиночные электромеханические импульсы в нейронах омара. . Биофизическая химия, 216, стр. 51-59.
Думаю, здесь я уже даю исчерпывающий ответ на этот вопрос. Вы можете проверить все подробности в этой статье на bioRix: https: //www.biorxiv.org/content/early/2018/10/22/343905
Здесь я могу сказать кое-что еще, но эти вещи сделают несчастными большинство людей, занимающихся нейробиологией.Если эта индуктивность, обусловленная структурой миелина и пьезоэлектрическим эффектом, верна, то вся нейробиология ошибочна с первого дня. Модель HH построена на основе RC-цепи, и многие люди разработали свои теории и модели, основанные на ней. это модель HH. Но как ни странно, каждый утверждает, что его модель или теория верны и могут объяснить данные, когда их основание неверно. Я видел так много абсурдных объяснений обхода этой индуктивности, таких как частотно-зависимый конденсатор, виртуальный катод, отрицательный резистор и даже отрицательный конденсатор.И действительно, все больше и больше людей начинают понимать, что так называемая нейробиология — это полный провал. Вы можете увидеть на домашней странице Neuralink (https://neuralink.com/), они официально заявляют, что им не нужен какой-либо опыт нейробиологии, цитата здесь: Никакого опыта в нейробиологии не требуется Кроме того, существует множество групп, которые сейчас используют только глубокое обучение или машинное обучение для изучения нейронов.
Индукция и компетентность — биология развития
Органы — это сложные структуры, состоящие из множества типов тканей.В глазу позвоночных, например, свет проходит через прозрачную ткань роговицы и фокусируется тканью хрусталика (диаметр которой контролируется мышечной тканью), в конечном итоге попадая на ткань нервной сетчатки. Невозможно нарушить точное расположение тканей в этом органе, не нарушив его функции. Такая координация в построении органов осуществляется одной группой клеток, изменяющей поведение соседнего набора клеток, тем самым заставляя их изменять свою форму, скорость митоза или судьбу.Этот вид взаимодействия на близком расстоянии между двумя или более клетками или тканями с разной историей и свойствами называется непосредственным взаимодействием или индукцией * . В каждом индуктивном взаимодействии есть как минимум два компонента. Первым компонентом является индуктор: ткань, которая производит сигнал (или сигналы), изменяющий клеточное поведение другой ткани. Второй компонент, индуцируемая ткань, — это ответчик.
Не все ткани могут реагировать на сигнал, производимый индуктором.Например, если зрительный пузырек (презумптивная сетчатка) Xenopus laevis помещен в эктопическое место (то есть в другое место, отличное от того, где он обычно формируется) под эктодермой головы, это побудит эту эктодерму формировать ткань хрусталика. Похоже, только зрительный пузырек способен на это; следовательно, это индуктор. Однако, если зрительный пузырек расположен под эктодермой на боку или в брюшной полости того же организма, эта эктодерма не сможет ответить. Только эктодерма головы способна реагировать на сигналы зрительного пузыря, производя линзу † (; Saha et al.1989; Grainger 1992).
Рисунок 6.1.
Эктодермальная компетентность и способность реагировать на индуктор зрительного пузыря у Xenopus. (1) Зрительный пузырек способен индуцировать линзы в передней части эктодермы, но не в презумптивном стволе и брюшной полости (2). Если зрительный пузырек (подробнее …)
Эта способность реагировать на специфический индуктивный сигнал называется компетенцией (Waddington 1940). Компетентность — это не пассивное состояние, а активно приобретенное состояние.Напр., В развивающемся глазу цыпленка и млекопитающих белок Pax6, по-видимому, играет важную роль в обеспечении компетентности эктодермы для ответа на индуктивный сигнал от зрительного пузыря. Экспрессия Pax6 наблюдается в эктодерме головы, которая может отвечать на зрительный пузырь, образуя линзы, и не наблюдается в других регионах поверхностной эктодермы (See Figure 4.16; Li et al. 1994). Более того, важность Pax6 как фактора компетенции была продемонстрирована в экспериментах по рекомбинации с использованием эмбриональной ткани глаза крысы (Fujiwara et al.1994). Гомозиготная крыса с мутантом Pax6 имеет фенотип, сходный с фенотипом гомозиготной мутантной мыши по Pax6 (см. Главу 4), без глаз и носа. Было показано, что часть этого фенотипа происходит из-за нарушения индукции хрусталика (). Но что является дефектным компонентом — зрительным пузырем или поверхностной эктодермой? Когда головная эктодерма из мутантных по Pax6 эмбрионов крысы была объединена с зрительным пузырем дикого типа, линзы не образовывались. Однако, когда головная эктодерма эмбрионов крыс дикого типа была объединена с мутантным по Pax6 зрительным пузырьком, линзы формировались нормально ().Следовательно, Pax6 необходим для поверхностной эктодермы, чтобы отвечать на индуктивный сигнал от зрительного пузыря. Индукционная ткань в этом не нуждается. Неизвестно, как Pax6 экспрессируется в передней эктодерме эмбриона, хотя считается, что его экспрессия индуцируется передними областями нервной пластинки. Компетенция реагировать на индуктор зрительных пузырьков может быть наделена эктодермальной тканью, инкубируя ее рядом с тканью передней нервной пластинки (Henry and Grainger 1990; Li et al.1994; Зыгарь и др. 1998).
Рис. 6.2
Индукция оптических и носовых структур с помощью Pax6 у эмбриона крысы. (A, B) Гистология эмбрионов дикого типа (A) и гомозиготных Pax6 мутантных (B) эмбрионов на 12-й день беременности показывает индукцию развития линз и сетчатки у эмбрионов дикого типа, но ни одной линзы (подробнее … )
Рисунок 6.3
Эксперименты по рекомбинации, показывающие, что индукционный дефицит у крыс с дефицитом Pax6 вызван неспособностью поверхностной эктодермы реагировать на зрительный пузырек.(Фотографии любезно предоставлены М. Фудзивара.)
Таким образом, единого индуктора объектива не существует. Исследования на земноводных предполагают, что первыми индукторами могут быть энтодерма глотки и сердцевидная мезодерма, которые лежат в основе линзообразующей эктодермы на ранних и средних стадиях гаструлы (Jacobson 1963, 1966). Передняя нервная пластинка может продуцировать следующие сигналы, включая сигнал, который способствует синтезу Pax6 в передней эктодерме (Zygar et al. 1998;). Таким образом, зрительный пузырь, по-видимому, является индуктором , но передняя эктодерма уже индуцирована по крайней мере двумя другими факторами.(Ситуация похожа на ситуацию с игроком, который забивает «победный гол» футбольного матча.) Зрительный пузырь, по-видимому, секретирует два фактора индукции, одним из которых является BMP4 (см. Обсуждение ниже), белок, который индуцирует транскрипция факторов транскрипции Sox2 и Sox3 (и еще один, еще не идентифицированный, сигнал, который индуцирует появление фактора транскрипции l-Maf; Ogino and Yasuda 1998). Комбинация Pax6, Sox2, Sox3 и l-Maf обеспечивает производство линз.
Рисунок 6.4
Индукция линзы у эмбриональных амфибий. (A) Аддитивные эффекты индукторов, как показали эксперименты по трансплантации и экстирпации (удалению) саламандры Tarichosa torosa. Способность продуцировать ткань хрусталика сначала индуцируется энтодермой глотки, (подробнее …)
Каскады индукции: взаимные и последовательные индукционные события
Другой особенностью индукции является реципрокный характер многих индуктивных взаимодействий. Как только хрусталик сформировался, он может индуцировать другие ткани.Одной из этих отвечающих тканей является сам глазной пузырек. Теперь индуктор становится индуцированным. Под влиянием факторов, секретируемых линзой, зрительный пузырек становится глазным бокалом, а стенка глазного бокала дифференцируется на два слоя: пигментированную сетчатку и нервную сетчатку (; Cvekl and Piatigorsky 1996). Такие взаимодействия называются взаимными индукциями .
Рисунок 6.5
Принципиальная схема индукции линзы мыши. (A) На 9-й день эмбриона зрительный пузырек простирается к поверхностной эктодерме от переднего мозга.Плакода линзы (предполагаемая линза) выглядит как локальное утолщение поверхностной эктодермы вблизи (подробнее …)
В то же время линза также вызывает эктодерму над ней, чтобы стать роговицей. Подобно эктодерме, формирующей линзу, эктодерма, формирующая роговицу, достигла особой способности реагировать на индуктивные сигналы, в данном случае сигналы от линзы (Meier 1977). Под воздействием линзы эктодермальные клетки роговицы становятся столбчатыми и секретируют несколько слоев коллагена.Мезенхимные клетки нервного гребня используют этот коллагеновый матрикс для проникновения в область и секретирования набора белков (включая фермент гиалуронидазу), которые дополнительно дифференцируют роговицу. Третий сигнал, гормон тироксин, обезвоживает ткань и делает ее прозрачной (см. Hay 1980; Bard 1990). Таким образом, существуют последовательные индукционные события и несколько причин для каждой индукции.
Инструктивные и разрешающие взаимодействия
Говард Хольцер (1968) выделил два основных режима индуктивного взаимодействия.В инструктивном взаимодействии сигнал от индуцирующей клетки необходим для инициации экспрессии нового гена в отвечающей клетке. Без индуцирующей клетки отвечающая клетка не смогла бы дифференцироваться таким образом. Например, когда зрительный пузырь экспериментально помещается под новую область эктодермы головы и заставляет эту область эктодермы образовывать линзу, это поучительное взаимодействие. Wessells (1977) предложил три общих принципа, характерных для большинства поучительных взаимодействий:
- 1.
В присутствии ткани A отвечающая ткань B развивается определенным образом.
- 2.
В отсутствие ткани A отвечающая ткань B не развивается таким образом.
- 3.
В отсутствие ткани A, но в присутствии ткани C, ткань B не развивается таким образом.
Второй тип индукции — это разрешающее взаимодействие . Здесь отвечающая ткань содержит все потенциалы, которые должны быть выражены, и нуждается только в среде, которая позволяет проявить эти черты. ‡ Например, для развития многим тканям требуется твердый субстрат, содержащий фибронектин или ламинин. Фибронектин или ламинин не изменяют тип клеток, которые должны быть продуцированы, а только позволяют экспрессировать то, что было определено.
Эпителиально-мезенхимальные взаимодействия
Некоторые из наиболее изученных случаев индукции включают взаимодействия слоев эпителиальных клеток с соседними мезенхимальными клетками. Эти взаимодействия называются эпителиально-мезенхимальными взаимодействиями .Эпителий — это листы или трубки из соединенных клеток; они могут происходить из любого зародышевого листка. Мезенхима относится к неплотно упакованным, несвязанным клеткам. Мезенхимные клетки происходят из мезодермы или нервного гребня. Все органы состоят из эпителия и связанной с ним мезенхимы, поэтому эпителиально-мезенхимальные взаимодействия являются одними из самых важных явлений в природе. Некоторые примеры перечислены в.
Таблица 6.1
Некоторые эпителиально-мезенхимальные взаимодействия.
Региональная специфичность индукции
Используя индукцию кожных структур в качестве наших примеров, мы рассмотрим свойства эпителиально-мезенхимальных взаимодействий.Первое из этих свойств — региональная специфика индукции. Кожа состоит из двух основных тканей: внешнего эпидермиса, эпителиальной ткани, происходящей из эктодермы, и дермы, мезенхимальной ткани, происходящей из мезодермы. Эпидермис цыпленка сигнализирует нижележащим дермальным клеткам о формировании конденсата (вероятно, путем секреции белков Sonic hedgehog и TGF-β2, которые будут обсуждаться ниже), а конденсированная дермальная мезенхима отвечает секретирующими факторами, которые заставляют эпидермис формировать регионально-специфические кожные структуры ( ; Nohno et al.1995, Тинг-Беррет и Чуонг 1996). Этими структурами могут быть широкие перья на крыльях, узкие перья на бедрах или чешуя и когтистые лапки. Исследователи могут отделить эмбриональный эпителий и мезенхиму друг от друга и рекомбинировать их разными способами (Saunders et al. 1957). Как показано, дермальная мезенхима ответственна за региональную специфичность индукции в компетентном эпидермальном эпителии. Эпителий того же типа развивает кожные структуры в зависимости от области, из которой была взята мезенхима.Здесь мезенхима играет поучительную роль, вызывая в игру различные наборы генов в отвечающих эпителиальных клетках.
Рис. 6.6
(A) Перьевые участки на спине куриного эмбриона 9-го дня. Обратите внимание, что каждый зачаток пера расположен между зачатками соседних рядов. (B) Гибридизация in situ куриного эмбриона на 10 день показывает экспрессию Sonic hedgehog (темные пятна) в эктодерме (подробнее …)
Рисунок 6.7
Региональная специфичность индукции. Когда клетки из разных областей дермы (мезенхимы) рекомбинируются с эпидермисом (эпителием) цыпленка, тип кожной структуры, образованной эпидермальным эпителием, определяется исходным (подробнее…)
Генетическая специфичность индукции
Вторым свойством эпителиально-мезенхимальных взаимодействий является генетическая специфичность индукции. В то время как мезенхима может указывать эпителию, какие наборы генов активировать, отвечающий эпителий может подчиняться этим инструкциям только в той мере, в какой это позволяет его геном. Это свойство было обнаружено в ходе экспериментов по трансплантации тканей от одного вида к другому. В одном из наиболее ярких примеров межвидовой индукции Ханс Спеманн и Оскар Шотте (1932) трансплантировали боковую эктодерму из ранней гаструлы лягушки в область гаструлы тритона, которая должна была стать частью рта.Точно так же они поместили предполагаемую боковую эктодермальную ткань из гаструлы тритона в предполагаемые оральные области эмбрионов лягушки. Строение ротовой области у личинок саламандры и лягушки сильно различается. У личинки саламандры есть булавовидные балансиры под ртом, тогда как у головастика лягушки вырабатываются выделяющие слизь железы и присоски (). У головастика лягушки также есть роговая челюсть без зубов, тогда как у саламандры в челюсти есть набор известковых зубов. Личинки, полученные в результате пересадки, были химерами.У личинок саламандры были лягушачьи рты, а у головастиков-лягушек были зубы и балансиры саламандры. Другими словами, мезодермальные клетки проинструктировали эктодерму создать рот, но эктодерма ответила, создав единственный вид рта, который она «умела» делать, независимо от того, насколько он неуместен. §
Рисунок 6.8
Генетическая специфичность индукции. Взаимная трансплантация между предполагаемыми областями ротовой эктодермы саламандры и гаструл лягушки приводит к появлению у тритонов головастиков-присосок и головастиков с тритонами-балансирами.(После Hamburgh 1970.)
Таким образом, инструкции, посылаемые мезенхимальной тканью, могут преодолевать межвидовые барьеры. Саламандры реагируют на сигналы лягушки, а ткани цыплят реагируют на индукторы млекопитающих. Однако реакция эпителия видоспецифична. Итак, в то время как специфичность типа органа (например, пера или когтя) обычно контролируется мезенхимой внутри вида, видовая специфичность обычно контролируется отвечающим эпителием. Как мы увидим в главах 21 и 22, большие эволюционные изменения могут быть вызваны изменением реакции на определенный индуктор.
- *
Часто эти индукции называют «вторичными» индукциями, тогда как взаимодействия тканей, которые генерируют нервную трубку, называют «первичной эмбриональной индукцией». Однако нет никакой разницы в молекулярной природе «первичной» и «вторичной» индукций. Первичная эмбриональная индукция будет подробно описана отдельно в главах 10 и 11.
- †
При описании индукции хрусталика нужно быть осторожным, чтобы указать, какой вид изучается, потому что существует множество видоспецифичных различий.У некоторых видов индукция не происходит при определенных температурах. У других видов вся эктодерма может реагировать на зрительный пузырек, образуя линзы. Эти видоспецифические различия сделали этот район очень трудным для изучения (Якобсон и Сатер, 1988; Саха и др., 1989; Саха и др., 1991).
- ‡
Разрешающие и поучительные взаимодействия легко различить по аналогии с более знакомой ситуацией. Этот учебник стал возможным благодаря как разрешительному, так и поучительному взаимодействию.Рецензенты могут убедить меня изменить материал в главах. Это поучительное взаимодействие, поскольку информация в книге отличается от того, что было бы. Однако информация в книге не могла быть выражена без разрешительного взаимодействия с издателем и типографией.
- §
Спеманн, как сообщается, сформулировал это так: «Эктодерма говорит индуктору:« Вы говорите мне сделать рот; хорошо, я сделаю так, но я не могу изобразить твой рот; Я могу сделать свой собственный, и я сделаю это »(цитата по Харрисону, 1933).
Планарный индуктор для биологических экспериментов в импульсных магнитных полях.
Страница / Ссылка:
URL страницы: HTML-ссылка: Индукция (биология)Как индукция относится к инициированию физиологического процесса развития. В эмбриональном развитии это важный фактор для дифференциации и определения зародыша (эмбриона).
Эмбриональная и гормональная индукция
Триггером индукции является морфогенетическое движение, которое переносит клеточные структуры в другую химическую или физическую среду.При этом они вступают в контакт с сигналом от индуктора (генератора сигналов) и очень специфическим образом дифференцируются под его влиянием. Это можно сделать разными способами. Если есть тесный контакт между клеткой и индуктором, говорят об эмбриональной индукции . Для этого требуются особые рецепторные молекулы на поверхности клетки. Индукция также может быть вызвана более обширными химическими сигналами от индуктора. Это называется гормональной индукцией .Также существует вероятность того, что одни и те же индукторы приводят к разным индукционным процессам. Это связано с разными компетенциями ячейки.
Например, жабы — эпидермис формирует структуры рта жаб с помощью индуктора, указанная свинья — эпидермис ротовой структуры свиньи формируется с помощью того же индуктора. Различные концентрации индуктора также могут приводить к различным индукционным процессам.
Пример: В случае головастика, индуктор приводит к поломке в области хвоста, накоплению в области ног и ремоделированию клеточных структур в области глаза из-за разной концентрации индуктор.
Индукция — это специфическая дифференциация зародыша, вызванная индуктором. Генетический код реализуется и становится доступным для использования клеткой способом, контролируемым индуктором (экспрессия гена).
история
Явление индукции было обнаружено при исследовании определения различных семядолей. Хотелось выяснить, все ли семядоли определяются одновременно. Для этой цели был взят кусок предполагаемой ткани хорды — мезодермы и помещен в другой зародышевый листок (эктодерма) (попытка трансплантации , ) или между двумя зародышевыми листками (попытка вставки , ).Было обнаружено, что не только хорда образовалась из ткани хордамезодермы, но и другие клеточные структуры в этой области также были затронуты. Сиамский близнец с двумя хордами, образованными из зародыша. Ткань хордамезодермы уже была определена. Соседняя ткань была дифференцирована в ткань хорды посредством индукции:
Представление попытки трансплантации (a) и попытки вставки (b)
Индукционная цепь
В индукционной цепи несколько индукций происходят одна за другой, посредством чего ткань, которая индуцируется первой, развивает свою собственную индукционную способность и, таким образом, действует как индуктор для следующего звена в цепи.
Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie
Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookieЭтот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Лаборатория индукторов (Глава 11) — для лаборатории общей физики 2 и физики колледжа
Лаборатория индукторов
Введение Цель этой лабораторной работы — найти индуктивность соленоида, используя электрический ток в провод создает магнитное поле на основе тока вокруг него и зависящее от времени магнитное поле создание электрического поля.Затем с помощью осциллографа и генератора частоты качественно проведем наблюдайте и измеряйте генерируемую амплитуду, которая составляет половину от пика до пика.
Теория Индукция проверяется с помощью магнитных полей, зависящих от времени, и создаваемое магнитное поле окружающим электрическим полем. Этот эффект индукции следует закону Фарадея (формула 1), описывающая эту электродвижущую силу (ε), которая возникает в результате изменения магнитного потока (ΔΦB) в течение интервал времени (Δt). Изменение магнитного потока происходит одним из двух способов: изменением магнитного потока. область в постоянном магнитном поле или путем изменения магнитного поля в постоянной области.Этот Эксперимент направлен на изменение магнитного поля в постоянной области за счет увеличения силы тока. проходя через соленоид, который, согласно закону Ленца, противодействует магнитному полю, которое эквивалентно увеличению тока, будет создано в том же направлении, что и внешнее поле окружающий петлю. Первый способ изменения магнитного поля будет качественно наблюдается при перемещении магнита внутрь и наружу соленоида с различными скоростями для наблюдения направление и сила тока, что является принципом закона Фарадея и Ленца.Для Второй метод: индуктор сообщает нам об изменении магнитного поля за счет самоиндукции. эффект. Это также указывает на количество энергии, которое хранится через индуктор (L), который напрямую связана с величиной электродвижущей силы, создаваемой изменением магнитного поля. поле. Это означает, что чем больше значение самоиндукции, тем больше создается противодействующий ток. в электрическом поле будет (формула 2). В эксперименте последовательно используется переменное напряжение, что означает ток внутри соленоида будет иметь постоянно изменяющийся ток внутри него, создавая индуктивное сопротивление (XL), которое зависит от угловой частоты переменного тока ( ωL): XL = ωL.Поскольку мы работаем с переменным напряжением последовательно: V = V 0 sinωt, то, как мы
количественно определить эквивалентное сопротивление, создаваемое резисторами в цепи направленного тока, равно
.вычисляет импеданс (Z), который по-прежнему следует тем же принципам, что и закон Ома: I = VZ.
Формула 1: закон Фарадея ε = −ΔφB Δt
Формула 2: Формула для значения самоиндукции L = μ 0 N 2 A л
√l 2 + r 2 -r л
Формула 3: Расчет полного сопротивления при последовательном подключении Z = √R 2 + ω 2 L 2
Формула 4: Расчет амплитуды падения напряжения над резистором VR = V 0
R
√R 2 + ω 2 L 2
Процедура Для части 1: ● Подключите соленоидную катушку к амперметру с помощью проводов и перемещайте стержень магнита внутрь и наружу. соленоида.Наблюдайте за изменением напряжения, меняя скорость магнита и переворачивая магнит. Свяжите это приложение, используя закон Ленца и закон Фарадея. Для части 2: ● Соберите схему, подключив соленоид к резистору и установите частоту генератор до 5000 Гц. Затем измерьте амплитуду напряжения V0 функционального генератора. ● Поскольку мы будем использовать два канала, мы будем измерять канал 1. Канал 2 установлен на напряжения 1 В, 2 В, 3 В, 4 В и & amp; 5 В. для измерения самоиндукции соленоида и амплитуда напряжения.● Отрегулируйте желаемое напряжение для канала 2 и затем переключитесь на канал 1. Сделайте замеры в канал 1, такой как y-div, Volt / div и VR0. ● Для второго метода установите V0 на 4 В и настройте частоту на 500 Гц, 2500 Гц, 5, Гц, 10000 Гц, 15000 Гц и 20000 Гц, затем запишите соответствующий VR ● Измерьте сопротивление резистора R и соленоида Rs, затем сложите, чтобы получить эквивалентное сопротивление полной цепи. ● После завершения измерений используйте графическую систему, чтобы построить график VR0 в сравнении с V0.Ось Y будет VR0, а ось x будет V0. ● Используйте наклон, полученный в результате линейной аппроксимации, для расчета теоретического значения и процента разница. ●
Рисунок 2: График для второго метода измерения частоты ω 2 как функции V 1 R 2 в (В).
Расчеты Никаких расчетов не требовалось, за исключением небольших преобразований единиц, которые выполнялись в Лист Excel.
результатов Метод 1: L = 2,81 ± 0. Метод 2: L = 18 933 854 587,9 ± 850525469.
Оба метода не совпадают друг с другом, и фактически значение для второго метода намного выше первого. Мы полагаем, что при установлении подходящей линии для графика, а также возможную ошибку наблюдения при записи данных в первом место. Поскольку для сбора данных использовались очень точные измерения, возможно, именно здесь основной источник ошибок проистекает из второго метода.
Заключение
Цель этого эксперимента была достигнута как качественно, так и количественно для первый способ.Первый метод был единственным, который работал, вероятно, из-за ранее описанного ошибка для второго метода. Чисто исходя из наших данных, первый метод кажется более последовательно дают хороший ответ по сравнению со вторым методом, который, хотя и может быть более эффективным точный, гораздо сложнее правильно записать.
Вопросы
- Проверяла ли качественная часть закон Ленца и Фарадея? Объяснить, почему.
а. Он действительно подтвердил законы Ленца и Фарадея из-за сдвига, наблюдаемого после того, как магнит
был помещен внутрь.Это изменение наблюдалось только тогда, когда магнит был физически помещен внутри соленоида, а не в какой-либо другой повод. - Какой метод измерения L был более точным?
а. Первый метод был более точным, так как полученное значение
было ближе к теоретическому. - Какой метод измерения L был более точным?
а. Первый метод был более точным, поскольку полученное значение
, включая ошибку, было намного, намного меньше, чем ценность и погрешность второго метода.
Механобиология актинового цитоскелета в стволовых клетках во время дифференцировки и взаимодействия с биоматериалами
Понимание важности цитоскелета в стволовых клетках имеет важное значение для их манипуляции и дальнейшего клинического применения. Цитоскелет имеет решающее значение в биологии стволовых клеток и зависит от физических и химических сигналов, определяющих его структуру. Кроме того, условия культивирования клеток будут важны для надлежащего поддержания стволовости, фиксации клонов и дифференцировки.В этом обзоре рассматриваются следующие области: роль актинового цитоскелета стволовых клеток во время дифференцировки, значение клеточной морфологии, сигнальные пути, участвующие в перестройке цитоскелета в стволовых клетках, а также процессы механобиологии и механотрансдукции, участвующие во взаимодействиях стволовых клеток с различные поверхности биоматериалов, такие как нанотопография, которая является физическим сигналом, влияющим на дифференцировку стволовых клеток. Также сюда включены раковые стволовые клетки, поскольку необходимо понимать роль их механических свойств для разработки новых стратегий лечения рака.В этом контексте для изучения стволовых клеток требуются интегрированные дисциплины, включая молекулярную и клеточную биологию, химию, физику и иммунологию, а также механобиологию. Наконец, поскольку одной из целей изучения стволовых клеток является их применение в регенеративной медицине, необходимо самое глубокое понимание, чтобы установить протоколы безопасности и эффективные методы лечения на основе клеток.
1. Введение
Стволовые клетки — это недифференцированные клетки, способные генерировать различные клоны, но они также способны поддерживать свою собственную популяцию, процесс, хорошо известный как самообновление.Стволовые клетки могут быть получены из различных тканей с различными потенциальными свойствами, способными генерировать от одного до всех видов клеток (рис. 1).
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) выделяются из бластоцисты и обладают потенциалом генерировать любые типы клеток из трех зародышевых линий: эктодермы, мезодермы и энтодермы [1]. ЭСК мыши интенсивно изучались на предмет их способности к самообновлению, тотипотентности и стабильности генома по сравнению с ЭСК человека [2]. Интерес к этим типам клеток связан не только с тотипотентностью и регенеративным действием, но и с иммунотерапией, а также с средством доставки лекарств.В настоящее время использование ЭСК в клеточной терапии вызывает споры из-за этических проблем, требующих, чтобы человеческие ооциты получали эти клетки. Несмотря на то, что в некоторых странах они используются на законных основаниях, в большинстве других стран использование этих салфеток запрещено.
Индуцируемые плюрипотентные стволовые клетки (iPS или iPSC) генерируются вирусной трансфекцией фибробластов взрослых людей с помощью следующих ключевых факторов транскрипции: Oct4 / 3 (октамер-связывающий фактор транскрипции 4/3), Sox2 (область Y, определяющая пол), Klf4 (круппелоподобный фактор 4) и c-Myc (клеточный гомолог онкогена вируса миелоцитоматоза птиц) [3].Эта стратегия генерирует клетки, подобные стволовым клеткам, подобные ESC. Они оба разделяют этические противоречия, но в этом случае, поскольку ИПС генерируются вирусной трансфекцией и поскольку стабильность встроенных генов все еще неизвестна, этот вопрос должен быть решен перед использованием ИПС на людях.
Взрослые стволовые клетки или соматические стволовые клетки, также называемые тканеспецифическими стволовыми клетками, представляют собой клетки, которые могут быть получены от уже родившихся животных и людей, не обязательно взрослых, потому что у младенцев также есть взрослые стволовые клетки.Эти стволовые клетки необходимы для поддержания организма в течение всей жизни, обладают способностью к самообновлению, но не обладают способностью генерировать клетки из трех зародышевых линий.
Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) представляют собой тип взрослых стволовых клеток, которые являются самообновляющимися и плюрипотентными. МСК обладают способностью дифференцироваться в несколько клонов, в основном в адипоциты, хондроциты и остеоциты. С другой стороны, гемопоэтические стволовые клетки (HSC), другой вид взрослых стволовых клеток, обладают потенциалом генерировать клетки крови, такие как лимфоциты, дендритные клетки, естественные клетки-киллеры, моноциты и другие, в то время как нервные стволовые клетки (NSC) могут генерировать клоны нервной системы, нейронов и глии (астроцитов и олигодендроцитов).
Раковые стволовые клетки (CSC), также известные как «раковые стволовые клетки» или «опухолевые клетки» (TIC), представляют собой вид стволовых клеток, которые могут экспрессировать поверхностные маркеры, присутствующие на человеческих ESC и / или взрослых стволовых клетках. [4]. Эти раковые клетки обладают теми же свойствами самообновления и дифференцировки, что и стволовые клетки, и по этой причине включены в эту категорию. РСК определяются как клетки, способные вызывать многие типы рака и неэффективность химиотерапии, что будет обсуждаться позже.
Для того, чтобы регулировать восстановление и характеризацию стволовых клеток, Международное общество клеточной терапии (ISCT) установило минимальные критерии для определения их как стволовых клеток [5], включая конкретные рекомендации, которым необходимо следовать, чтобы идентифицировать и избегать «недоказанной клеточной терапии», любого производства продуктов и потери доверия к этой области. Кроме того, ISCT настоятельно поощряет совместное использование усилий и вклад вовлеченных профессионалов, а также определение ключевых характеристик недоказанных клеточных вмешательств.В этом контексте, чтобы иметь стандартные условия культивирования для поддержания стволовых клеток и возможность тестирования воздействия любого вида биоматериала на эти клетки, необходимо выяснить внутриклеточные события, вызванные участием цитоскелета и механотрансдукции. который представляет собой преобразование механических стимулов во внутриклеточные сигналы, как химические, так и биофизические. Более того, больший объем знаний об этих событиях и описание задействованного механизма приведет к повышению уверенности в новых протоколах клеточной терапии.
Условия устойчивого состояния и процессы дифференцировки являются ключевыми аспектами создания культуры стволовых клеток. Однако ограничения, связанные с доступом к органам или протезам, сужают исследования имплантации стволовых клеток, заставляя уделять больше внимания развитию клеточной терапии [6].
Кроме того, другими важными проблемами, требующими изучения, являются стабильность фенотипа и поддержание в условиях культивирования, самообновление и контроль приверженности клонов для обеспечения идентичности стволовых клеток, введенных в организм, и, наконец, стабильности определенного фенотипа внутри тело, избегая аберрантной дифференциации, как у раковых клеток.
Биофизические аспекты, такие как роль механобиологии стволовых клеток, опосредованной актиновым цитоскелетом, являются важными для рассмотрения. Сочетание и понимание этих аспектов представляют собой лучший способ установить все возможные взаимодействия между биоматериалами, клетками и организмами для использования в медицинских целях.
Возможность конструировать биоматериалы, имитирующие естественные каркасы, представляет собой новую перспективу для улучшения или разработки более эффективных методов лечения на основе стволовых клеток в регенеративной медицине, требующих глубокого понимания биологии стволовых клеток.
Учитывая, что регенеративная медицина является многообещающей областью для разработки и применения новых медицинских методов лечения, основанных на использовании стволовых клеток, существует постоянная необходимость объяснять, как эти типы клеток контролируют самообновление и дифференциацию. В этом контексте мы могли бы быть близки к разработке «живых имплантатов» для людей с их высокой способностью интеграции в тело без отторжения, а также индукции клеточного замещения в ситуациях повреждения ткани с использованием внеклеточных компонентов хозяин.
2. Роль белков цитоскелета в стволовых клетках
Цитоскелет — это высокодинамичная сеть, состоящая из различных молекул, включая актин, тубулин и виментин, роль которых зависит от контекста и структур, генерируемых в каждом состоянии, но также и зависит от типа ячейки. Таким образом, клетки имеют особый способ реагировать на окружающую среду, всегда пытаясь выжить и адаптироваться. Реакция прикрепленных или неприлипающих клеток включает различные механизмы, включая поверхностные молекулы, такие как интегрины и селектины, которые помогают с адгезией и создают связь между физическим микроокружением снаружи и внутри клетки.Таким образом, цитоскелет обеспечивает поддержку стволовых клеток в условиях культивирования или самонаведения и укоренения внутри тела. Учитывая, что в обоих случаях механизмы не до конца понятны, этот раздел посвящен исключительно физическим сигналам, которые получают клетки, за исключением растворимых факторов, которые также имеют значение, поскольку большая часть литературы уже обращается к ним.
Цитоскелетная перестройка индуцируется несколькими стимулами, такими как хемокины, факторы роста, различия в жесткости субстрата и другие.Как упоминалось выше, внеклеточная среда связана с внутренней клеткой, в том числе с ядром [7, 8]. В этом случае характеристики субстрата могут вызывать реакцию внутри клеток, и реакция осуществляется за счет реорганизации структурирования F-актина и модуляции динамики актина, например циклов полимеризации / деполимеризации.
В этом контексте реорганизация актина необходима во время дифференцировки стволовых клеток, а также адгезии, клеточного распространения, распределения сил, образования стрессовых волокон и других процессов, которые полностью зависят от цитоскелета, сложного каркаса, состоящего из разных видов. филаментов, распределенных по цитоплазме.Таким образом, жесткость, структура и поддержка — это не единственные функции, но также и субклеточная организация, внутренний транспорт молекул, подвижность и миграция, деление клеток и механотрансдукция [9–11].
3. Структуры цитоскелета, лежащие в основе морфологии клеток и приверженности к происхождению
Стволовые клетки имеют фибробластическую форму, которая считается одной из их морфологических характеристик. Существуют специфические структуры, которые могут служить в процессе дифференцировки стволовых клеток.К ним относятся цитоскелет и специфические структуры, созданные для создания стволовых клеток в культуре, а также в стволовых клетках во время дифференцировки в определенные клоны [12-17].
Остеогенная дифференцировка, индуцированная растворимыми факторами, выявила модификацию актинового цитоскелета. Эта модификация морфологии является следствием параллельного расположения и ориентации актиновых филаментов, перестройки F-актина в четко определенных стрессовых волокнах, а также изменения его паттерна.Распределение ЖК и клеточная плотность изменяются физическими характеристиками субстрата и / или его матрицы. Следовательно, анализ распространения клеток и расположения F-актина помогает идентифицировать тип ответа, индуцируемого в каждом контексте, и, следовательно, манипулирование конкретными физическими сигналами, чтобы преднамеренно индуцировать судьбу стволовой клетки [15].
4. Механотрансдукция и перестройка цитоскелета во время дифференцировки стволовых клеток
Учитывая, что актиновые филаменты собираются посредством нековалентных взаимодействий, это обеспечивает более высокий потенциал обмена между мономерным и филаментозным состояниями.В подвижных клетках динамика актина активируется внеклеточными стимулами, которые, в свою очередь, запускают внутриклеточную передачу сигналов, включая малые ГТФазы семейства Rho, киназы фокальной адгезии, кофилин, киназы LIM, кэпирующие белки, комплексы полимеризации и другие актин-связывающие белки (ABP) [ 18, 19]. Как правило, переключение между F-актином и G-актином вызывает приобретение специфических структур и, в свою очередь, изменение формы. Например, от сферической формы к форме распространения (или в противоположном направлении) соотношение между F-актином и G-актином изменяется, в то время как при распространении F-актин помогает создавать контактные адгезии и стрессовые волокна, а также выступы на мембране.Как в «стационарных», так и в стимулированных условиях, обмен между нитчатым и мономерным актином является непрерывным [20–22]. G-актин связан с профилином или тимозином бета 4 (Tβ4). Эти белки поддерживают запас G-актина и, наряду с другими ABP, предотвращают спонтанную полимеризацию актина. Профилин может высвобождать G-актин легче, чем Tβ4, когда требуется полимеризация [18].
Tβ4 играет роль в дифференцировке МСК костного мозга человека. Известно, что Tβ4 подавляет остеогенную дифференцировку, секвестрируя G-актин и предотвращая его полимеризацию [23].Он продемонстрировал биофизический эффект с использованием экзогенного Tβ4 без изменения экспрессии генов, измеренный путем мониторинга генов фактора транскрипции 2, связанного с Runt (Runx2) и рецепторов гамма-рецепторов, активируемых пролифератором пероксисом (PPARγ), во время ранней остеогенной дифференцировки. Несмотря на отсутствие изменений в экспрессии генов, нельзя исключить возможность изменения в других генах, не включенных в это исследование, поскольку изменение в актиновом цитоскелете может изменять экспрессию генов посредством механотрансдукции. С другой стороны, это исследование показало, что в этих условиях адипогенная дифференцировка стимулировалась, но хондрогенная дифференцировка не изменялась, указывая на разницу в потребностях и важности F-актина во время этих процессов [23].
Цитоскелет связан с внеклеточным матриксом (ЕСМ) молекулами адгезии, такими как интегрины, селектины, рецепторы ламинина и синдеканы, и он участвует во время хоминга внутри организма или в условиях культивирования. Эта контактная адгезия также создает прямую связь от ECM с ядром и придает механические свойства динамическим образом. В этом контексте интегрины играют решающую роль в поддержании и дифференцировке стволовых клеток. ECM взаимодействует с интегринами, и это активирует передачу сигналов снаружи внутрь, в то время как внутриклеточная передача сигналов также индуцирует конформационные изменения интегринов, а также модулирует их авидность за счет кластеризации [24].
Интегрины могут опосредовать фокальные адгезии, рассматриваемые как механосенсоры, которые связывают субстрат с цитоскелетом. Снаружи клетки эти структуры представляют собой кластеры интегринов, но в цитоплазме многие молекулы привлекаются для создания сложной структуры (рис. 2) с различными белками, такими как киназа фокальной адгезии (FAK), талин, винкулин и паксилин, которые связывают рецепторы цитоскелета [25, 26].
Поскольку стволовые клетки требуют активности интегринов, важно понимать, как регулируются фокальные адгезии и как они могут модулироваться биоматериалами, вызывая большую или меньшую адгезию, а затем изменяя потенциал дифференцировки стволовых клеток.
Например, размер очаговой адгезии и внутриклеточное натяжение, индуцированные белками ЕСМ, регулируют дифференцировку стволовых клеток, а также самообновление [27]. Начальные контакты и ранняя адгезия создают напряжение, которое играет решающую роль в интернализации сигналов, включая активацию таких молекул, как FAK и митоген-активируемые протеинкиназы (MAPK).
Миозины — это молекулярные моторы, которые обеспечивают механические свойства и вносят вклад в напряжение, возникающее в ответ на субстрат (адгезия).Миозин II вместе с F-актином генерирует актомиозиновый комплекс, который в значительной степени отвечает за установление механических свойств клетки. Миозин II в гладкомышечных и немышечных клетках регулируется путем фосфорилирования легких цепей миозина (MLC) киназой легких цепей миозина [28]. Фосфорилирование MLC делает возможным взаимодействие миозина II с актиновыми филаментами и создание напряжения. Миозин II также регулируется ниже по течению от семейства малых GTPases Rho.
Семейство Rho GTPases (гуанозинтрифосфатазы) представляют собой небольшие молекулы, участвующие в регуляции полимеризации актина.Эти молекулы организуют скоординированные реорганизации цитоскелета, генерируя различные структуры, такие как филоподий, ламеллиподиум или уропод, в зависимости от типа активированной GTPase, то есть Cdc42, Rac или RhoA, соответственно [29]. В HSC семейство GTPase также участвует в процессе самообновления, пролиферации, апоптоза, миграции и адгезии. Rac1 и Cdc42 опосредуют пролиферацию; Rac2 и Cdc42 опосредуют апоптоз; а Cdc42, Rac1 и RhoA обеспечивают самообновление [30]. Однако мы должны учитывать, что функции GTPase более сложные.Как правило, эти молекулы имеют цикл активации / инактивации, опосредованный обменом GTP / GDP соответственно. GEFs и GAPs регулируют активность Rho GTPase зависимым от стимула способом [31].
Как показано в исследованиях с MSC, RhoA, ROCKII и напряжение, которое может возникнуть, важны для судьбы клеток, поскольку высокая активность RhoA связана с остеогенной дифференцировкой, в то время как адипогенная дифференцировка требует незначительной активности GTPase [32] . В этом исследовании они использовали клетки-предшественники C3h20T1 / 2 в качестве модели первичных МСК костного мозга (BM-) со стабильной популяцией.Экспрессию Runx2, PPARγ и Sox9 анализировали для определения регуляции остеогенной, адипогенной и хондрогенной дифференцировки соответственно. С помощью осциллирующего потока жидкости была измерена возможность активировать RhoA и затем модулировать клеточную судьбу. Эта модель показала, что RhoA, активируемый потоком, может усиливать экспрессию Runx2 [32].
В частности, RhoA / ROCK участвует в напряжении, вызванном волокнистыми субстратами. В этом контексте передача сигналов RhoA / ROCK генерирует сократительную способность миозина, и это приводит к усилению остеогенной дифференцировки.Кроме того, субстрат влияет на формирование и созревание очаговой адгезии (ФА) [33]. Более того, модулируя активность RhoA, можно изменить обязательность клонов. Напр., Экспрессия доминантно-отрицательного RhoA приводит к дифференцировке hMSC в адипоциты, тогда как конститутивно активный RhoA вызывает остеогенез [13].
Эффекторы RhoA, ROCK I / II, регулируют актомиозиновый комплекс путем ингибирования дефосфорилирования MLC. Фосфорилирование ROCK инактивирует миозинфосфатазу, сохраняя миозин II в фосфорилированном или активном состоянии [34, 35].ROCK и расположенные ниже молекулы приводят к взаимодействию моторных молекул миозина с актиновыми филаментами [36]. Эти моторные молекулы в ассоциации с полимеризацией актина вносят вклад в сборку FAs, в то время как вместе с генерацией силы FAs становятся более стабильными, что известно как созревание FA [26].
LIM-домен-содержащая протеинкиназа (LIMK) регулирует динамику актина путем фосфорилирования кофилина по Serine3. Кофилин является членом семейства молекул факторов деполимеризации актина (ADF) / кофилина.Было показано, что фармакологическое ингибирование LIMK1 увеличивает дифференцировку адипоцитов BM-hMSC [37], в то время как противоположный результат был получен после siRNA-опосредованного нокдауна CFL1 и DSTN в первичных MSC, полученных из BM человека, что привело к дифференцировке остеобластов [12]. . В том же исследовании авторы проанализировали действие Cyto-D и фаллоидина на BM-MSC человека и мыши, подтвердив, что полимеризация актина важна для дифференцировки остеобластов.
Кофилин активируется серин / треонинфосфатазами, такими как PP1 / PP2A [38], кальциневрин PP2B [39], Slingshot (SSh2L, -2L и -3L) [40, 41] и хронофин [42].Кроме того, мембранные фосфоинозитиды PIP и PIP2 регулируют активность кофилина путем секвестрации. PP2A также регулирует пути фосфоинозитид-3-киназы (PI3K), AKT (PKB), митоген-активируемой протеинкиназы (MEK) / ERK и GSK-3b, которые участвуют в пролиферации и апоптозе. В hESCs PP2A способствует дифференцировке [43]. Это исследование обнаружило возрастающую активность PP2A во время дифференцировки чЭСК. Кроме того, индуцирование сверхэкспрессии этой фосфатазы или добавление C2-церамида (активатора PP2A) способствовало дифференцировке.Следовательно, путем инактивации PP2A с помощью окадаиновой кислоты и маркеров плюрипотентности экспрессия и активность теломеразы при нормальных кариотипах сохранялись. Это указывает на регулирующую роль PP2A в дифференцировке / самообновлении hESCs.
5. Механобиология: распространение сил через цитоскелет в линейных и нелинейных формах
Поскольку клетка не является однородным гелем, мы должны понять, как силы распределяются и генерируются за счет распространения и адгезии. Для лучшего понимания этой темы необходимо пересмотреть Второй закон Ньютона.Сила — это взаимодействие между двумя объектами, такими как стволовые клетки и биоматериалы, которое может вызывать ускорение массы, такое как сила тяжести, а также сжатие (толчок) или растяжение (притяжение), изменяющее его импульс.
Клетки не являются статичными, однородными объектами; напротив, это высокодинамичные и неоднородные гели. Возможен анализ клеточного ответа на биоматериал, фиксируя момент времени, а также отдельный субклеточный отсек. При этом используется модуль Юнга или эластичность при растяжении, помогающий измерить расширение клеток в результате взаимодействия биоматериалов.Другими словами, можно измерить, насколько материал будет деформироваться в ответ на приложенное к нему напряжение. Материалы с более высоким модулем Юнга более жесткие и нелегко деформируются. Перед дифференцировкой hMSCs имеют значение модуля Юнга 3,2 кПа [44].
Разрыв актиновых филаментов вызывает снижение среднего модуля упругости клеточной мембраны. Используя атомно-силовую микроскопию (АСМ), Титушкин и Чо [45] сообщили, что остеобласты имеют значение модуля Юнга 1,7 кПа.Это исследование также показало, что hMSC, подвергшиеся воздействию остеогенной среды в течение 10 дней, демонстрировали значительное снижение модуля упругости с 3,2 кПа до 2 кПа. Более того, адипоциты обладают меньшей жесткостью, чем чМСК и остеобласты [46]. Дарлинг и др. сообщили о модуле упругости 0,61 кПа для адипоцитов; этот относительно низкий модуль означает, что адипоциты не имеют более плотной сети цитоскелета по сравнению с hMSCs и остеобластами. Тот же автор сообщил, что жесткость хондроцитов равна 1.2 кПа, что является величиной между МСК и адипоцитами (3,2 кПа и 0,61 кПа соответственно) [46].
Напряжение или сжатие могут быть вызваны биоматериалами или любым субстратом, в который будут засеиваться клетки. Как описал Ингбер, тенсегрити или целостность при растяжении — это механическая стабильность, создаваемая сотовой сетью и ее контроль формы и структуры [47]. В этом отношении филамент цитоскелета представляет собой сеть в состоянии изомерного натяжения, но она эластична с высокой способностью реагировать на внешние силы, вызывающие механическое напряжение.
Модели натянутых эластичных нитей и соединенных между собой соломинок могут предсказать поведение актомиозинового комплекса, а формы, созданные с помощью этих моделей, напоминают структуры, наблюдаемые в живых клетках [47]. Согласно модели Ингбера, актиновые сети hMSC, визуализированные с помощью конфокального микроскопа (рис. 3), отражают паттерн модели, изменяя ориентацию актиновых филаментов в зависимости от их локализации, будь то кортикальная или более близкая к ядру.
Напряжение, приложенное ньютоновскими жидкостями, может быть измерено как вязкость.Биополимеры обладают механическими свойствами, от чистой жидкости до упругого твердого тела, которые считаются вязкоупругими [48]. Клетки также реагируют на внутренние свойства биоматериалов путем реструктуризации сетей F-актина, что затрудняет измерение распределения силы вдоль цитоплазмы или клеточной мембраны [49]. Более того, ABP обеспечивают динамический способ перегруппировки актиновых филаментов, связывания или разделения F-актина, а также придания большей эластичности филаментам. Ассоциация кофилина с F-актином изменяет скручивание филаментов на ~ 4-5 ° на субъединицу [50].Следовательно, сеть цитоскелета демонстрирует нелинейный эластический ответ [46], поскольку жесткость или смягчение регулируются F-актином и миозином II, а не только актином. Впервые это было предложено Элиотом Элсоном в 1990-х годах. Впоследствии Cai et al. показали, что киназа легкой цепи миозина играет решающую роль в регуляции жесткости клеток путем фосфорилирования миозина II [51]. Эти клеточные характеристики и свойства необходимо учитывать при разработке биоматериалов и каркасов, а также при лечении стволовыми клетками, поскольку они могут преобразовывать сигналы, создаваемые нанотопографией и жесткостью биоматериалов.
6. Нанотопография биоматериалов и роль цитоскелета во время взаимодействия стволовых клеток
Актин и тубулин, в отличие от виментина, представляют собой молекулы цитоскелета, генерирующие высокодинамичные специализированные структуры всего за несколько секунд после подачи сигнала. инициирован. Это свойство дает клетке возможность адаптироваться, если микросреда изменяется или если это требуется в других процессах, таких как миграция клеток.
Стволовые клетки обладают исключительной пластичностью и адаптируются к условиям микросреды.В зависимости от потенциала пластичности клетки реагируют и легко прилипают, приобретая сферическую или раскидистую форму. Стволовые клетки неспециализированы и обладают замечательным потенциалом к самовосстановлению, а также способностью дифференцироваться в зрелую специализированную ткань; обе функции поддерживаются в равновесии. В моделях in vitro и этими свойствами можно управлять, используя различные стратегии, например коктейли факторов роста. Другой подход заключается в использовании каркасов, таких как механические сигналы [16, 17], которыми можно манипулировать для создания определенных изменений клеточной формы, распространения, перестройки F-актина, формирования стрессовых волокон и индукции паттернов адгезии и дифференцировки [52, 53 ] (Рисунок 4).
В организме человека стволовые клетки взаимодействуют с ECM, состав которых различается в зависимости от места расположения. ECM в основном состоит из коллагена, фибронектина и ламинина [54], а также таких белков, как гликозаминогликаны и протеогликаны. Композиции ниши зависят от обилия этих молекул и вносят вклад в процесс дифференцировки, в котором стволовые клетки генерируют специфические структуры адгезии, поддерживая или изменяя свою клеточную форму и способность миграции к другим участкам.
Когда стволовые клетки поддерживаются в культуре, очень важно избегать любых возможных стимулов, которые могут запустить процесс дифференцировки. Например, фибронектин связывается с интегринами, такими как α5β1, α4β1 и αvβ3. Это взаимодействие приводит к реорганизации внутриклеточного актина и вызывает специфическое изменение формы и активацию внутриклеточных сигнальных путей, что приводит к дифференцировке хондроцитов. С другой стороны, самообновление in vitro ES-клеток, как было показано, зависит от взаимодействия с субстратами коллагена типа I или типа IV [55].
Индукция морфологических изменений hMSCs была изучена путем генерации специфических микропаттернов [25, 56], вызывающих дифференцировку, опосредованную топографией [56]. Белки ЕСМ использовались для «печати» узоров, линий или точек с различным интервалом между ними, что приводило к индукции растяжения или сжатия, поскольку клетки пытаются генерировать различные распределения ЖК.
Чтобы проиллюстрировать влияние нанотопографии, рассмотрим наноостровки фибронектина. При расстоянии менее 60 нм возможно образование FA, в то время как большее расстояние приводит к нарушению образования FA и клеточного распространения.Более того, организация паттернов кажется важной, поскольку неупорядоченные наноструктуры не вызывают клеточного разрастания. Более того, созревание FA и сила клеточной адгезии были постоянными при расстоянии 60 нм по сравнению с 70 и 120 нм субстратов с микрорельефом [25]. Эти результаты очень важны, если учесть, что биоматериалы со специфическими микро- или наноразмерными конструкциями могут модулировать созревание ЖК, что, в свою очередь, имеет последствия для пролиферации, самообновления и дифференцировки стволовых клеток, как описано выше.
Адгезионные структуры необходимы для связывания с субстратом. Эти молекулярные структуры функционируют как связи между субстратом и актиновым цитоскелетом. Более того, моторные молекулы, такие как миозины, FAK, активируемые интегринами, и активация молекулярного аппарата, ответственного за полимеризацию актина, генерируют зрелые или незрелые контактные адгезии. Эти контакты, в свою очередь, изменяют сродство и валентность интегринов и являются основными особенностями во время адаптации стволовых клеток к поверхности.Вовлеченный молекулярный механизм и образованная структура адгезионных структур зависят от механических свойств субстрата.
Например, жесткость субстрата влияет на структурирование адгезии, а также на напряжение волокон, создавая актомиозиновый комплекс. Если субстрат мягкий, форма ячейки будет более округлой с низкой плотностью напряженных волокон. Если жесткость субстрата увеличивается, плотность стрессовых волокон и разрастание клетки также увеличиваются [54–56].Жесткостью субстрата можно управлять, что позволяет создавать определенные условия и индуцировать дифференцировку стволовых клеток.
Существуют и другие методы измерения физических сил и механических свойств клеток, позволяющие анализировать конформационные изменения с помощью AFM и резонансного переноса энергии Ферстера (FRET). Одноклеточный анализ механобиологии также возможен с помощью микроэлектромеханических систем (MEMS), AFM, оптических стретчеров и аспирационных микропипеток [56].Эти методы создают стандарты, необходимые для контроля дифференцировки стволовых клеток.
Механические силы, возникающие во время взаимодействия между субстратом или биоматериалами и стволовыми клетками, вызывают механический стимул, который может транслироваться во внутриклеточной передаче сигналов, как химических, так и биофизических [57, 58]. В этом контексте актиновый цитоскелет играет активную роль в интерпретации условий микроокружения, которые управляют и связываются непосредственно с цитоплазмой и ядром, имея следствием молекулярную активацию и / или транскрипцию генов [59–62].
7. Раковые стволовые клетки: воздействие на их биомеханику
Сложность ниш стволовых клеток вызывает взаимодействие CSC с другими клетками. Все они могут быть вовлечены в какую-то регуляцию, но эти аспекты должны быть определены конкретно, поскольку все они связаны с теми молекулами, которые участвуют в биофизических взаимодействиях РСК. Внутри ниш раковых клеток существует несколько типов клеток, таких как опухолевые, стромальные и сосудистые клетки, в составе которых ОСК поддерживаются в стадии покоя до тех пор, пока адекватные условия, включая клеточные и молекулярные события, не побудят их пролиферировать, вторгнуться , и метастазируют [63].
Выражение «пробуждение зверя» использовалось для описания активации CSC после химиотерапевтического лечения [64]. РСК обладают четкими свойствами самообновления, клональной способностью к инициации опухоли, потенциалом долгосрочной репопуляции клонов, переходами из состояния не стволовых клеток в состояние стволовых клеток, уклонением от гибели клеток, метастазированием и покоем в течение длительных периодов времени [65]. CSCs также могут быть активированы путем прямого или косвенного взаимодействия с различными типами клеток, присутствующими внутри ниш [65, 66], и посредством биофизических взаимодействий в нишах раковых клеток, окружающих молекулы ECM или ECM [67, 68].В этих нишах местные клетки продуцируют факторы, способные стимулировать РСК, индуцировать ангиогенез и привлекать иммунные и другие стромальные клетки, которые секретируют дополнительные факторы, одновременно способствуя метастазированию и инвазии опухолевых клеток. РСК также могут продуцировать экзосомы, которые способствуют проникновению молекул РНК, которые способствуют проникновению множественной лекарственной устойчивости в опухолевые клетки [65].
В опухолевых нишах или тканях происходит выработка и концентрация нескольких молекул, которые могут активировать ОСК.Биохимические и биофизические сигналы исходят от факторов роста, цитокинов и белков ремоделирования матрикса [63]. Потенциально все они способны активировать и / или вызывать рост и дифференцировку покоящихся РСК, которые развиваются в более агрессивные стадии. Часть этих молекул является неклеточными компонентами, происходящими от деградации ECM из-за действия матриксных металлопротеиназ, поступающих из активированных клеток внутри ниш; Важность продуцируемого ЕСМ обусловлена тем, что его структура остается физическим барьером, а также целостностью ОСК, блокирующих любое возможное вредное состояние, такое как действие химиотерапевтических агентов, обнаруженных в солидных опухолях.Следовательно, высвобождение цитокинов, факторов роста и других молекул делает возможной деградацию ЕСМ из-за действия металлопротеиназ, которые являются факторами, способствующими ангиогенезу, метастазированию опухолевых клеток и инвазии, связанной с терапевтической резистентностью. Перекрестные разговоры между РСК и их нишами лежат в основе активации этих типов клеток [65].
Очевидно, что факторы, присутствующие в микроокружении клеток, оказывают важное влияние на различные фенотипы стволовых клеток.Такие факторы состоят из материалов, окружающих клетки, которые могут конкурировать с биохимическими добавками. Они влияют или индуцируют активацию и / или дифференцировку стволовых клеток, индуцируя или активируя сигнальные пути посредством механотрансдукции из-за ее механочувствительности [68]. Следовательно, состояния, связанные с терапией рака, при которых происходит манипулирование компонентами микросреды раковых ниш или тканей, могут дать эффективную стратегию лечения рака или индукции устойчивости к терапии рака, а также предотвращения или поддержания злокачественности и метастазирование РСК [65].
Материалы в клеточной среде могут быть индукторами / активаторами стволовых клеток, что является решающим фактором для ниш CSC. Если эти молекулы являются частью окружающих ниш, их поверхности могут стать индукторами активации CSC, которые могут участвовать в событиях механотрансдукции и механочувствительности (как те, что описаны в настоящей версии для стволовых клеток). Эти условия могут спровоцировать рост, распространение и устойчивость к лекарственным препаратам, что подтверждается этими типами раковых клеток.Обязательно подумайте, могут ли их конструирование и использование быть причиной того, что некоторые покоящиеся CSCs становятся способными к расширению и развитию устойчивости к противоопухолевым препаратам [69]. Есть несколько свойств синтетических материалов, которые могут вызывать изменения клеточной активности, и они включают жесткость, молекулярную гибкость, нанотопографию, адгезию клеток, сродство связывания, химическую функциональность, способность к разложению и / или побочные продукты разложения. Материалы могут вызывать специфическое поведение стволовых клеток, которое необходимо всегда учитывать при разработке и использовании материалов [68], а при использовании материалов для целей регенеративной медицины необходимо учитывать биологию и нишевые факторы CSC.
Значение клеточной судьбы и механотрансдукции было обсуждено выше, но для понимания того, как они участвуют в прогрессии РСК в метастаз, необходимо описать сигнальные пути, активируемые, когда происходит механическое нарушение и происходит потеря межклеточного контакта. Когда происходит нарушение, внутри клеток возникает напряженный гомеостаз, который может играть роль в онкогенной трансформации. Учитывая, что жесткость в раковых стволовых клетках измеряется механосенсорами, а твердые опухоли испытывают высокие механические нагрузки, это может препятствовать доставке лекарств, приводящей к прогрессированию опухоли.Биомеханические силы могут управлять опухолевой агрессией в случае мезенхимального переключения, развивая свойства инициирующих опухоль или стволовых клеток, а также повышенную тканевую механику, способствующую агрессии. Эти события открывают возможность манипулирования механическими свойствами CSCs, чтобы сломать лекарственную устойчивость с помощью фенотипа стволовых клеток [70].
8. Сигнальные молекулы, участвующие в биомеханике и лекарственной устойчивости в раковых стволовых клетках
В большинстве солидных опухолей недавние исследования показывают актуальность Yes-ассоциированного белка (YAP) и транскрипционного коактиватора с PDZ-связывающим мотивом (TAZ) для большинства солидных опухолей. регуляторы.Активация YAP / TAZ обеспечивает в клетках не только свойства стволовых клеток, но и химиорезистентность. Рассматривая эти молекулы как механосенсоры, очень важно понять их функцию в нормальных или патологических состояниях и то, как его активация потенциально является ключевым фактором для лечения рака и разработки противоопухолевых препаратов [71, 72].
Белки YAP / TAZ представляют собой механосенсоры и механотрансдукторы, которые реагируют на физические стимулы, в которых задействован актиновый цитоскелет, такие как жесткость внеклеточного матрикса, геометрия клеток, плотность и полярность клеток [73].Для этой цели важно поддерживать, что молекулы в ЕСМ представляют собой полимеры, такие как коллаген или фибрин, которые также образуют самоансамбль в гели. Например, увеличение количества коллагена в ткани увеличивает ее жесткость. Более того, стресс цитоскелета вызывает стабилизацию белка для поддержания целостности клетки, и одним из хороших примеров является белок ядерной структуры ламин A, уровни белка и транскрипта которого увеличиваются с увеличением коллагена-I и жесткости ткани. Затем механогеномные процессы являются основными индукторами мутаций и вызывают рак, связанный с жесткостью тканей [74].Подходы к снижению опухолевой агрессии включают уменьшение или ингибирование TGFβ, LOXL2 или отложения и перекрестного связывания коллагена [70].
YAP / TAZ, как было показано, играет как положительную, так и отрицательную роль в сигнальном пути Wnt. Этот путь важен, помимо других функций, для измерения межклеточного контакта. YAP / TAZ являются неотъемлемыми компонентами комплекса разрушения β-catenin, который они могут перемещать в ядро после активации пути Wnt [75]. Другие гипотезы поддерживают представление о том, что жесткость ECM является внеклеточным активатором YAP / TAZ, расположенного ниже по течению G-белкового рецептора (GPCR) / липидных рафтов / пути передачи сигналов Rho / ROCK, что ведет к выживанию CSC [76, 77].
С другой стороны, активация интегрина и FAK приводит к образованию очаговой адгезии, которая, в свою очередь, активирует Rho-GTPases и вызывает образование стрессовых волокон. Это приводит к активации других киназ, таких как LATS1 / 2, и ингибированию факторов транскрипции YAP / TAZ, вызывая отрицательный эффект в РСК [76, 77]. В этом контексте полимеризация актина необходима в очаговых адгезиях. После клеточного распространения миозин II увеличивает напряжение в актиновой сети, в то время как деполимеризация F-актина снижает напряжение, и это поддерживает напряжение в равновесии.
Механические свойства CSC будут иметь важное значение при разработке персонализированной медицины для разработки более эффективных методов лечения. Затем необходимо учитывать нарушение барьеров микросреды опухоли, таких как стромальные клетки, сосудистая сеть и сшивание коллагена, которые ограничивают проникновение лекарственного средства, а затем влияют на химиотерапевтическую эффективность. Если существуют хорошо спроектированные наноматериалы [78] и наночастицы [79], такие как наноносители, используемые для достижения клетки-мишени, это улучшит доставку лекарств и обеспечит доступ лекарств к раковым клеткам, включая РСК.Кроме того, следует разработать биоматериалы, которые могут модулировать и снижать вероятность неправильной активации CSC.
9. Выводы и перспективы
Механотрансдукция помогает понять механизм, с помощью которого нанотопография биоматериалов может управлять дифференцировкой стволовых клеток. Внутриклеточное напряжение, создаваемое адгезией к биоматериалу, передается подобно химическому сигналу с возможностью экспрессии гена. Таким образом, взаимодействия с физическими сигналами, обеспечиваемыми нанотопографией, наноструктурой, жесткостью субстрата и другими физическими свойствами биоматериалов, могут модулировать судьбу стволовых клеток и должны учитываться при изучении этих клеток и использовании стволовых клеток в регенеративной медицине. и клеточная терапия.
Понимание устройства цитоскелета и его значения во время взаимодействия стволовых клеток с биоматериалами, а также важность нанотопографии создают новые аспекты интеграции с другими областями знаний с целью улучшения клеточной терапии и регенеративной медицины.
Наряду с соображениями, изложенными в настоящей работе, очевидно, что необходимо иметь новые способы сосредоточить внимание на разработке и разработке новых биоматериалов с намерениями использовать их в терапевтических целях.Несоблюдение этих соображений может быть определяющим фактором для индукции аномальной активации или дифференцировки стволовых клеток.
Спроектировать и создать биоматериал без оценки их физических аспектов, таких как жесткость, пористость, нанотопография, химический состав и взаимодействие с другими типами поверхностей, — это большой риск. Более того, аберрантный рост клеток или неправильная дифференцировка стволовых клеток могут быть вызваны изменениями в их физическом микроокружении.Как указано, в соответствии с этими соображениями активированные клетки могут быть перенаправлены на создание патологических ситуаций или, в случае РСК, на развитие устойчивости к противоопухолевым препаратам из-за эпигенетических изменений. Важно провести характеристику новых биоматериалов, чтобы установить, соответствуют ли они условиям любого потенциального использования в регенеративной медицине и, что более важно, не обладают ли они способностью «разбудить зверя».
