Pohledy: 222 Autor: Leah Publish Time: 2025-02-13 Původ: Místo
Nabídka obsahu
● Zavedení
● Návrh a funkce senzorů napětí vinculinu
>> Typy senzorů napětí vinculinu
>> Výhody
>> Omezení
● Aplikace v biomedicínském výzkumu
>> Neuronální mechanotransdukce
>> Hojení ran
● Závěr
>> 1. Co je to senzor napětí vinculinu?
>> 2. Jak funguje senzor napětí vinculinu?
>> 3. jaké jsou výhody použití senzorů napětí vinculinu?
>> 4. Jaká jsou omezení senzorů napětí vinculinu?
>> 5. V jakých oblastech biomedicínského výzkumu lze aplikovat senzory vinculinu napětí?
● Citace:
Buňky jsou nepřetržitě podrobeny řadě mechanických sil, které hrají klíčovou roli při regulaci buněčného chování a funkce. Tyto mechanické narážky mohou ovlivnit procesy, jako je buněčná adheze, migrace, diferenciace a proliferace. Pochopení toho, jak buňky cítí a reagují na tyto síly, je nezbytné pro pochopení různých biologických procesů a vývoji nových terapeutických strategií [2] [5]. Vinculin, všudypřítomný cytoskeletální protein, hraje ústřední roli při mechanotransdukci propojením integrinů s aktinovým cytoskeletem při fokálních adhezích (FAS). Fokální adheze jsou dynamické proteinové komplexy, které zprostředkovávají interakce buněčné extracelulární matrice (ECM) a slouží jako mechanické kotvy, což umožňuje buňkám vnímat a reagovat na vnější síly [1] [2].
Senzory vinculinového napětí jsou výkonné nástroje, které umožňují vědcům přímo měřit mechanické síly, které zažívají molekuly vinculinu v buňkách. Tyto senzory jsou založeny na přenosu energetické energie Förster (FRET), což je jev, ve kterém je energie přenášena mezi dvěma fluorescenčními proteiny (FPS), když jsou v těsné blízkosti [1] [9]. Vložením flexibilního linkeru mezi hlavu vinculinu a ocasní domény a jeho lemováním pomocí FPS mohou vědci vytvořit senzor, který mění jeho účinnost FRET v reakci na napětí [1]. Když je Vinculin pod napětím, FPS se rozprostírá a snižuje účinnost FRET. Naopak, když je vinculin pod nízkým napětím, FP jsou blíže k sobě, což vede k vyšší účinnosti FRET [1].
Tento článek zkoumá návrh, funkci a aplikace senzorů napětí vinculinu v biomedicínském výzkumu. Ponoříme se do toho, jak tyto senzory fungují, jejich výhody a omezení a jejich použití v porozumění mechanotransdukci v různých biologických kontextech. Kromě toho se budeme zabývat často kladenými otázkami (FAQ), aby poskytly komplexní přehled o této technologii.
Senzory vinculinového napětí jsou navrženy tak, aby měřily mechanické napětí, které zažívá Vinculin, klíčový protein při fokálních adhezích. Tyto senzory se obvykle skládají z následujících složek [1] [2]:
- Vinculinové domény hlavy a ocasu: Senzor zahrnuje domény hlavy a ocasu vinculinového proteinu, které jsou nezbytné pro jeho funkci v mechanotransdukci [1].
- FRET modul: Mezi domény hlavy a ocasu je vložen flexibilní linker, často elastický polypeptid. Tento linker je lemován dvěma fluorescenčními proteiny (FPS), dárcem a akceptorem, což umožňuje přenos energie rezonance Förster (FRET) [1] [9].
- Fluorescenční proteiny (FPS): Mezi použité běžné FPS patří azurovací fluorescenční protein (CFP) a žlutý fluorescenční protein (YFP) nebo pokročilejší páry, jako je jetel a mruby2, které poskytují zlepšené fotofyzikální vlastnosti [2].
Senzor napětí vinculinu pracuje na základě principu přenosu energie Förster Rezonance (FRET). FRET je proces, ve kterém je energie přenesena z dárcovského fluoroforu na akceptorový fluorofor, když jsou v těsné blízkosti. Účinnost FRET je vysoce závislá na vzdálenosti mezi dárcem a akceptorem [1] [9].
1. Vysoké napětí: Když je vinculin pod napětím, síla aplikovaná na senzor způsobuje zvýšení vzdálenosti mezi dárcem a akceptorem FPS. Tato zvýšená vzdálenost snižuje účinnost FRET, což má za následek nižší signál FRET [1].
2. Nízké napětí: Naopak, když je Vinculin pod nízkým napětím, dárce a akceptor FPS jsou v blízké blízkosti. Tato blízkost zvyšuje účinnost FRET, což vede k vyššímu signálu FRET [1].
Pro optimalizaci výkonu a citlivosti bylo vyvinuto několik typů senzorů napětí vinculinu. Patří sem:
- Vity (senzor napětí Vinculinu): Původní design sestává z hlavy a ocasní domény vinculinu s elastickým modulem FRET vložený mezi ně [1]. Vykazuje nízkou účinnost FRET při vysokém napětí a vysoké účinnosti FRET při nízkém napětí [1].
- vintl (vinculin tailless): Tato sonda chybí ocasní doména, takže je necitlivá na napětí a má za následek vysokou účinnost FRET [1]. Slouží jako kontrola pro změny FRET nezávislé na napětí [1].
-OPT-VINTS (optimalizovaný senzor napětí vinculinu): Tento optimalizovaný senzor zahrnuje devíti opakovací rozšiřitelnou doménu ((GGSGG) 9), aby se zvýšila mechanická citlivost, což umožňuje přesnější detekci variací napětí napříč vinculinem [2].
Pro přesné interpretaci signálu FRET ze senzorů napětí vinculinu je nezbytná kalibrace a kvantifikace [2].
- Kalibrace in vitro: Byly provedeny počáteční kalibrace * in vitro *, aby se vytvořil vztah mezi účinností FRET a aplikovanou silou. * V celulo * podmínkách se však často významně liší od nastavení * in vitro * v důsledku změn iontové síly, pH a dav [2].
- V kalibraci celulo: Pro řešení omezení kalibrace * in vitro * se vědci vyvinuli * v metodách kalibrace celulo *. Tyto metody zahrnují měření mechanických vlastností nestrukturovaných polypeptidů použitých v rozšiřitelné doméně přímo v buňkách [2].
-Kalibrace založená na modelu: Model prvních principů může předpovídat mechanickou citlivost TSMOD pomocí * v měření celulo * mechanických vlastností nestrukturovaných polypeptidů použitých jako rozšiřitelná doména. Tento model pomáhá obejít potřebu * in vitro * kalibrací a odpovídá za faktory prostředí [2].
- Analýza účinnosti FRET: Účinnost FRET je kvantifikována měřením poměru emise akceptoru k emisi dárců. Změny v tomto poměru naznačují změny napětí napříč vinculinem [1] [9].
Fret Efektivita = i Akceptor I dárce
- Normalizace: Údaje o účinnosti FRET jsou často normalizovány tak, aby se zohledňovaly změny hladin exprese a fluorescence pozadí [2].
- Přímé měření molekulárních sil: Senzory napětí vinculinu poskytují přímý způsob měření mechanických sil, které zažívá vinculin při fokálních adhezích [1] [2].
- Vysoká citlivost: Optimalizované senzory, jako jsou OPT-VINTS, nabízejí zvýšenou citlivost, což umožňuje detekci jemných změn distribuce napětí v buňkách [2].
-Monitorování v reálném čase: Senzory založené na FRET mohou být použity pro sledování napětí vinculinu v reálném čase v živých buňkách a poskytují dynamické informace o mechanotransdukčních procesech [1].
- Prostorové rozlišení: Tyto senzory nabízejí prostorové rozlišení, což umožňuje mapování rozdělení napětí v rámci individuálních fokálních adhezí a přes buňku [2].
- všestrannost: Senzory napětí vinculinu lze použít v různých typech buněk a experimentálních podmínek ke studiu mechanotransdukce v různých biologických kontextech [1] [9].
- Kalibrační výzvy: Přesná kalibrace signálů FRET může být náročná kvůli změnám v buněčném prostředí a vlastnostech senzoru [2].
- Citlivost na životní prostředí: Účinnost FRET může být ovlivněna faktory, jako je pH, teplota a iontová síla, což vyžaduje pečlivou kontrolu experimentálních podmínek [2].
- fotobělení: Prodloužená expozice excitačního světla může způsobit fotobělení fluorescenčních proteinů a v průběhu času snižovat intenzitu signálu [2].
- Porucha senzoru: Nadměrná exprese senzoru napětí může potenciálně narušit endogenní funkci vinculinu a buněčnou mechaniku [2].
- Interpretace dat: Interpretace údajů FRET vyžaduje pečlivé zvážení potenciálních artefaktů a kontrol, aby se zajistily přesné závěry [2].
Senzory vinculinu napětí našly v biomedicínském výzkumu četné aplikace a poskytly cenné poznatky o mechanotransdukci v různých fyziologických a patologických procesech.
Adheze a migrace buněk jsou základními procesy ve vývoji, hojení ran a metastázování rakoviny. Vinculin hraje v těchto procesech rozhodující roli zprostředkováním interakcí buněk-ECM při fokálních adhezích [1] [2].
- Studie: Senzory napětí vinculinu byly použity ke zkoumání toho, jak mechanické síly regulují adhezi buněk a migraci na různých substrátech [1]. Vědci ukázali, že buňky vyvíjejí vyšší napětí na tužších substrátech a podporují silnější adhezi a rychlejší migraci [2].
- Zjištění: Tyto senzory také odhalily, že napětí napříč vinculinem je spojeno se sestavením a zvětšením ohniskových adhezí, zatímco nízké napětí je pozorováno při rozebírání nebo posuvných fokálních adhezích [3].
Mechanické síly hrají významnou roli ve vývoji a progresi rakoviny. Nádorové buňky interagují s okolní extracelulární matricí a stromálními buňkami a vytvářejí mechanické síly, které ovlivňují růst nádoru, invazi a metastázy [1].
- Studie: Senzory napětí vinculinu byly použity ke studiu souhry mezi nádorovými buňkami a osteocyty (kostními buňkami) v mikroprostředí kostních prostředí [1]. Zjistili, že nádorové buňky vykazují snížené tahové síly a nízkou motilitu buněk, když jsou umístěny blízko osteocytů [1].
- Zjištění: Tyto senzory mohou vyhodnotit vazbu mezi molekulárními silami a buněčnou motilitou a poskytovat vhled do toho, jak nádorové buňky reagují na mechanické narážky v jejich mikroprostředí [1].
Neurony jsou vysoce citlivé na mechanické narážky, které hrají rozhodující roli při vývoji neuronů, vedení axonů a tvorbě synapse. Vinculin je nezbytný pro mechanotransdukci v neuronech [9].
- Studie: Senzory napětí vinculinu byly použity v primárních kulturách kortikálních neuronů k prozkoumání funkce vinculinu v kuželech neuronálních růst [9].
- Zjištění: Tyto studie ukazují proveditelnost použití vintátů ke studiu mechanotransdukce v neuronech a poskytují základ pro pochopení toho, jak mechanické síly regulují vývoj a funkci neuronů [9].
Hojení ran je složitý proces zahrnující migraci buněk, remodelaci ECM a regeneraci tkání. Mechanické síly hrají při regulaci těchto událostí klíčovou roli [2].
- Studie: Senzory napětí vinculinu lze použít ke zkoumání toho, jak mechanické síly ovlivňují migraci fibroblastů a ukládání ECM během hojení ran [2].
- Zjištění: Měřením napětí napříč vinculinem ve fibroblastech mohou vědci získat vhled do toho, jak buňky reagují na mechanické narážky z mikroprostředí rány a přispívat k opravě tkáně [2].
Mechanické síly jsou kritické při regulaci struktury a funkce krevních cév. Endoteliální buňky, které lemují vnitřní povrch krevních cév, jsou neustále vystaveny smykovému stresu tekutiny a mechanickému protažení [2].
- Studie: Senzory napětí vinculinu lze použít ke studiu, jak endoteliální buňky reagují na tyto mechanické síly, což ovlivňuje vaskulární remodelaci a onemocnění [2].
- Zjištění: Tyto senzory mohou poskytnout vhled do role vinculinu při zprostředkování adheze endoteliálních buněk, migrace a bariérové funkce za různých mechanických podmínek [2].
Zatímco senzory Vinculinu napětí výrazně postihly naše chápání mechanotransdukce, stále existují příležitosti pro další rozvoj a aplikaci.
- Vylepšený návrh senzoru: Budoucí senzory by mohly být navrženy se zvýšenou citlivostí, dynamickým rozsahem a stabilitou poskytovat přesnější a spolehlivější měření molekulárních sil [2].
- Přístupy k multi-senzoru: Kombinace senzorů napětí vinculinu s jinými biosenzory, jako jsou ty měřící sílu na jiných adhezních proteinech nebo tuhosti ECM, by mohla poskytnout komplexnější obraz mechanotransdukčních procesů [2].
- Aplikace in vivo: Vývoj strategií pro používání senzorů napětí vinculinu * in vivo * by umožnilo studium mechanotransdukce ve fyziologicky relevantních kontextech [2].
-Vysoce výkonné screening: Přizpůsobení technologie senzoru napětí vinculinu pro vysoce výkonné screening by mohlo usnadnit objev nových léků, které modulují mechanotransdukční dráhy [2].
Senzory vinculinového napětí jsou cennými nástroji pro přímé měření mechanických sil, které vinculin zažívá v buňkách. Tyto senzory poskytly významný vhled do mechanotransdukce v různých biologických procesech, včetně adheze buněk, migrace, biologie rakoviny, neuronální mechanotransdukce, hojení ran a kardiovaskulární biologie [1] [2] [9]. Přes určitá omezení, pokračující pokrok v návrhu senzoru, metody kalibrace a aplikací nadále rozšiřuje užitečnost senzorů napětí vinculinu v biomedicínském výzkumu. Poskytováním přímého odečtu molekulárních sil tyto senzory přispívají k hlubšímu pochopení toho, jak buňky cítí a reagují na mechanické narážky, čímž se připravuje cestu pro nové terapeutické strategie zaměřené na mechanotransdukční dráhy.
Senzor vinculinového napětí je molekulární nástroj používaný k měření mechanických sil, které zažívají vinculin, klíčový protein v fokálních adhezích. Využívá přenos energie rezonance Förster (FRET) k detekci změn napětí napříč molekulou vinculinu [1] [9].
Senzor se skládá z vinculinových hlav a ocasní domény, s flexibilním linkerem a dvěma fluorescenčními proteiny (FPS) mezi nimi. Když je Vinculin pod napětím, FPS se rozprostírá a snižuje účinnost FRET. Naopak, když je napětí nízké, FPS je blíže a zvyšuje účinnost FRET [1].
Mezi výhody patří přímé měření molekulárních sil, vysokou citlivost (zejména v optimalizovaných verzích, jako jsou opt-vints), sledování v reálném čase v živých buňkách, prostorové rozlišení a všestrannost v různých typech buněk a experimentálních podmínkách [1] [2].
Omezení zahrnují kalibrační výzvy, citlivost na životní prostředí, fotobělení fluorescenčních proteinů, potenciální porucha endogenní funkce vinculinu a potřebu pečlivé interpretace dat [2].
Senzory napětí vinculinu mohou být aplikovány v oblastech, jako je buněčná adheze a migrace, biologie rakoviny, neuronální mechanotransdukce, hojení ran a kardiovaskulární biologie, což poskytuje vhled do toho, jak mechanické síly ovlivňují tyto procesy [1] [2] [9].
[1] https://www.nature.com/articles/s41598-019-42132-X
[2] https://elifesciences.org/articles/33927
[3] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc2901888/
[4] https://elifesciences.org/articles/33927/figures
[5] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30024378/
[6] https://www.researchgate.net/figure/NCULIN-Bret-ension-sensor-in-focal-Adhesions-a-schematic-of-Bioluminiscent-resonance_Fig1_353745106
[7] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc3711198/
[8] https://www.mdpi.com/1422-0067/25/11/6198
[9] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc9150715/
