לפניכם מאמר דעה שחיברו ד"ר שרון דון, פיזיותרפיסטית ויושבת ראש איגוד הפיזיותרפיה האמריקני APTA, וד"ר מרגרט אולמדו, רופאה כירורגית במרכז הרפואי של אוניברסיטת לואיזיאנה, ארה"ב (Sharon L. Dunn and Margaret L. Olmedo, 2016). על אף שדון ואולמדו משמיעות קול קורא לפיזיותרפיסטים, בחרתי להביא את רוב המאמר בעריכה מינימלית שכן לדעתי, הכותרת של "השפעה על ביטוי גנים באמצעות כוחות מכניים" ראוי שתשמש חומר מאתגר למחשבה גם עבור קשת רחבה של אנשי מקצועות הכושר, התנועה והשיקום התנועתי אשר עוסקים בלימוד חווית התנועה ושיפור הכושר והתפקוד של הרבה מאד אנשים, בגישות ושיטות מגוונות, בהן עומסים מכניים בדרגות שונות מופעלים על תאי הגוף, ולכן יכולים בהחלט להשכיל ולהפיק תועלת באותה המידה.

מבוא

מכנוטרנסדוקציה (mechanotransduction), שפרושה: 'המרה מכנית' – המנגנון שבאמצעותו הפרעה מכנית משפיעה על ביטוי גנים והתנהגות תאים – היא תחום בביולוגיה מולקולרית שנמצא בחקירה נמרצת. תאים רגישים לכוחות כגון, גזירה, מתח ודחיסה, והם מגיבים בהתאם דרך שגשוג (התרבות), נדידה, ריפוי רקמות, שינוי המטבוליזם ואף בידול והבשלה של תאי גזע. המחקר כיצד תאים חשים ומגיבים לגירוי מכני מתרחב במהירות, עם שיטות וטכנולוגיות מדעיות חדשות העומדות לרשותנו. היישום של טכנולוגיות אלה לפיזיותרפיה עשוי להכיל תשובות לכמה מהשאלות הישנות של המקצוע תוך יצירת דרכים חדשות כדי לייעל את השיקום התנועתי למען בריאות הציבור. אימוץ תחום מדעי זה כבסיסי להכשרה יאפשר לפיזיותרפיסטים להיות משתפי פעולה מדעיים בעלי ערך וידע ייחודי על ההשפעות של עומסים מכניים. שותפויות אלה יהיו המפתח להרחבת התועלת הקלינית של תחומי טיפול חדשים כגון, רפואה רגנרטיבית, הנדסת רקמות וטיפול גנטי. שיתוף פעולה עם תחומים מדעיים אחרים במאמצים אלה, יחד עם השילוב והיישום של תגליות אלו בתוכניות האקדמיות, יעצים את ההבנה של השפעת הקליניקה השיקומית על תהליכים ביולוגיים וגנטיים. נתחיל בהבנה בסיסית של מכנוטרנסדוקציה והרלוונטיות שלה לשיקום תנועתי.

פיזיותרפיסטים רוכשים השכלה ומוסמכים לבדוק, לאבחן ולספק התערבויות לטיפול במערכת התנועה האנושית. נטייה זו ברמת המערכות, יחד עם ייצוג תת-מדעי של המדע המולקולרי בהכנה האקדמית, גורמת לפיזיותרפיסטים לעיתים קרובות להתעלם מהביולוגיה התאית והמולקולרית המושפעת מההתערבויות הקשורות לתנועה. הכוחות בהם משתמשים בהתערבות, אם באמצעות תרגילים או יישום ידני ישיר, יוצרים תגובות מולקולריות ותאיות ספציפיות. רתימה של הבנת תגובות התא האדפטיביות הללו לכוחות פיזיים ספציפיים תוביל לחשיבה טיפולית בהתאם לתגובה הביולוגית להתערבויות.

כפי שתרופות משפיעות באופן כימי על התנהגות התא, כך עומס מכני משפיע על התנהגות התא באמצעות מנגנון שנקרא "מכנוטרנסדוקציה". כוחות מכניים ברמה התאית משפיעים על המרת אותות, תעתוק גנים ותרגום חלבונים. הספציפיות של האינטראקציה עם כוחות אלה יכולה להגביר או להקטין את תגובות התא. המינון הנכון של גירויים מכניים המיושמים בשלב הנכון של הריפוי עשוי להשפיע בצורה עמוקה על תוצאות הטיפול. עם מודעות מוגברת לאופן שבו מדעי היסוד הללו מתורגמים ישירות ליישום הקליני, יתכן שנוכל להבין יותר את המינון הטיפולי תוך תרומה לשיפור בתוצאות הקליניות. מאמר דעה זה ינסה לקדם את השיחה דרך גישה פשטנית לביולוגיה מולקולרית, ביטוי גנים ותגובות תא המושפעות מהפרעה/עומס מכניים.

בית הצירים של איגוד הפיזיותרפיה האמריקני אימץ לאחרונה חזון חדש למקצוע: "שנתמיר את החברה על ידי אופטימיזציה של התנועה לשיפור החוויה האנושית". הוספה של מכנוטרנסדוקציה למדעי היסוד והתנועה כזהות של המקצוע, תקדם את האידיאלים הללו לעבר מציאות משולבת. מקום טוב להתחיל בו הוא בתוכניות האקדמיות. קבוצות מיקוד בינלאומיות בלתי פורמליות קבעו כי מכנוטרנסדוקציה אינה נלמדת כעקרון ביולוגי חשוב בתוכניות לימודי הפיזיותרפיה. מארגני קבוצות המיקוד חשבו שזה מהווה כישלון משמעותי בהשכלה בגלל הבעיות הקיימות בבריאות הציבור הקשורות לחוסר פעילות גופנית, והביעו זאת כך: "כדי להדגיש את התפקיד הקריטי של מכנוטרנסדוקציה בביסוס השיקום של שלד ושרירים, אנו מציעים להכניס מחדש את המונח "מכנותרפיה" (“mechanotherapy”)  לאותם מצבים רבים בהם נקבע תרגול שמטרתו לקדם תיקון או שיפוץ של רקמה פגועה. מכנותרפיה הוגדרה לראשונה בשנת 1890 כ"הפעלת אמצעים מכניים לריפוי מחלות" (מילון אוקספורד האנגלי). הוצע לעדכן זאת ל"שימוש במכנוטרנסדוקציה כדי לגרות תיקון ושיפוץ רקמות". הבחנה זו מדגישה את הבסיס התאי למרשם תנועתי למטרת ריפוי רקמות, וגם מכירה בכך שרקמות פגועות ורקמות בריאות עשויות להגיב באופן שונה לעומסים מכניים."

מעבר למינוף מקצוע הפיזיותרפיה עד כדי הצגתו מחדש כמכנותרפיה, אחרים מזהים את המכנוביולוגיה כעידן חדש ברפואה, בשלה להתערבויות חדשניות עם פוטנציאל עצום להתגבר על מחלות רבות.

ניתן להתייחס למאמר דעה זה כקריאה מזמינה להתחבר למדע הבסיסי ביותר לפרקטיקה של פיזיותרפיה. סטודנטים צריכים להגיע לתכניות המקצועיות עם הכנה במדעים, והחינוך המקצועי יכול לקשר טוב יותר את הניהול הקליני לתגובות המולקולריות, הגנטיות והתאיות הקשורות למכנוביולוגיה ומכנוטרנסדוקציה. כפי שנדון בוועידת הפיזיותרפיה בשנת 2009, "עמידה באתגר זה תדרוש הרבה פחות השקעה בלימוד פעילויות כגון, טווח תנועה ובדיקת שרירים, ויותר זמן להטמעת ההתקדמות בגנומיקה, ביולוגיה מולקולרית, וטכנולוגיות. ההבנה של אלה מדגישה את יכולתו של מקצוע הפיזיותרפיה לעמוד בחזית הקידמה בהערכה וטיפול באנשים עם ליקויי תנועה, ולהיות שותפים מלאים ביצירה ושילוב של פרדיגמות חדשות עם אחרים בתוך המקצוע ומחוצה לו".

המעורבות של פיזיותרפיסטים כחוקרים ראשוניים ומשתפי פעולה במאמצים מדעיים אלה עשויה לספק תשובות לשאלות ישנות הנוגעות למינון טיפולי של ההתערבויות המכניות, למשל, "אילו סוגי כוחות הם היעילים ביותר?", "מתי הכי טוב ליישם כוחות במהלך שלבי הריפוי?", "איזה מינון הוא האופטימלי?". גילויים, טכנולוגיה, וחדשנות נמצאים בהישג יד לשימוש בטכניקות מולקולריות וגנטיות כדי לענות על השאלות ארוכות השנים לגבי יעילות הטיפול בקליניקה.

 

מכנוטרנסדוקציה: הגדרה

מכנוטרנסדוקציה, או 'המרה מכנית', היא המנגנון שבאמצעותו תאים ממירים גירויים מכניים לתגובות תאיות ביוכימיות. המנגנונים המולקולריים של 'רגישות מכנית' (mechanosensitivity) ו'תגובתיות מכנית' (mechanoresponsiveness) נחקרו במשך יותר משלושים שנה, וככל שהתפתח המדע המולקולרי והגנטי, כך גם ההבנה. כלים חדשים כגון, מיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה, מיקרוסקופ כוח אטומי, תרבית תא בתלת-ממד, מנגנוני טעינה מחזורית, בדיקת צ'יפ גנטי, מניפולציה מולקולרית, ננו-טכנולוגיה, ומידול ממוחשב מספקים טכנולוגיות רבות המאפשרות גילויים נוספים.

 תאים מושפעים ממכנוטרנסדוקציה

אחת הדוגמאות המוכרות וארוכות שנים למכנוטרנסדוקציה מתרחשת בתאי השיער של האוזן הפנימית, אשר ממירים גלי קול לפוטנציאל פעולה לאורך העצב האקוסטי. הגירוי המכני של גל קול יוצר מתח על חלבוני קישור שקשורים בין הסטריאוסיליה – אברי החישה וההמרה המכנית – המתכופפים של צרורות השיער. כאשר חלבונים אלה נמתחים, הם גורמים לפתיחה וסגירה של תעלות ההמרה המכנית על פני התאים. פתיחת התעלות מזרזת זרם של יונים ועלייה במתח קרום התא (דפולריזציה), ובסופו של דבר, שחרור של מוליך עצבי.

סוגי תא רבים זוהו כחשים ומגיבים לגירויים מכניים: אוסטאוציטים, כונדרוציטים, פיברובלסטים, קרטינוציטים ותאי גזע. עדויות מצטברות מצביעות על כך ש'הריסנית הראשונית' (primary cilium – מעין ״שערות״ על גבי התאים) של מרבית סוגי התאים חשות ומגיבות לגירויים מכניים, דבר שהוביל כמה חוקרים להאמין שהן איבר חישה תאי מכני אוניברסלי מסוגים שונים. יתר כל כן, ישנו ביסוס טוב למנגנונים ידועים של חישה תאית ותגובה לעומסים מכניים הכוללים: אינטראקציות תא-תא, תא-מטריצה, ותא-חלל (lumen – חלל פנימי של מבנה צינורי כמו בכלי הדם) המתווכים באמצעות קולטנים על פני התא, אינטגרינים (חלבונים חוצי קרום התא, עם תפקידי חישה והיצמדות), מתחמי היצמדות, ותעלות יונים מופעלות-מתח.

ביולוגיה מולקולרית

סקירה קצרה של הביולוגיה התאית והמולקולרית נועדה להבנה ברורה של מכנוטרנסדוקציה ותגובות התא הנובעות ממנה. רבים השתתפו בקורסי ביולוגיה לתואר ראשון במהלך התקופה שקדמה למדע העכשווי, כאשר נלמד כי התא מכיל ציטופלזמה צמיגה מוקפת קרום, עם גרעין ואיברונים אחרים, שתפקידיהם פורשו בצורה גרועה. ההבנה הנוכחית היא שלתאים חיים יש שלד תא (cytoskeleton) משלהם, מסגרת מולקולרית פנימית שיכולה לחוש, לייצר ולהגיב לכוחות המופעלים על פני קרום התא. לתאים יש גם מנגנונים כדי לחוש ולהגיב לנוקשות היחסית של המטריצה החוץ-תאית. כעת אנו יודעים שתאים הם דינמיים ויכולים להתעוות, לנדוד, לשגשג או לפעול על סביבתם בהתאם לרמזים כימיים ו/או מכניים שהם מקבלים מהסביבה.

קולטנים של גירוי מכני

כל התאים האאוקריוטים מכוסים על ידי קרום תא (ממברנה), המורכב מדו-שכבה שומנית ומחלבונים שונים הקשורים או מוטבעים על פני השטח שלו, יחד עם רפסודות שומנים הנושאות מולקולות וחלבונים. רבים מהחלבונים על פני שטח התא נקראים "קולטנים" (receptors) מכיוון שהם מקבלים אותות מתוך התא או מחוצה לו ומעבירים את האות על פני הקרום למטרות פונקציונליות. אותות ביוכימיים ומכניים פועלים דרך קולטנים אלה כדי להשפיע על התנהגות התא באמצעות אינטראקציה ציטוזולית (בנוזל התא) במורד הזרם של חלבוני אפקטור (מעודדים או מעכבים של חלבונים) וגורמי תעתוק (transcription).

קולטנים הידועים כרגישים מכניים כוללים: תעלות יונים מופעלות-מתח, אינטגרינים, קולטנים של גורמי גדילה, וקולטנים מצומדי חלבון-G (איור 1).

אינטגרינים (Integrins) הם קולטנים חוצי-קרום (טרנס-ממברנליים) עם שתי יחידות משנה, אלפא וביתא, עם תפקודים ברורים בויסות והמרה של אותות, בהתאמה. שתי יחידות המשנה תורמות לחיבור התא אל חלבוני מטריצה ספציפיים באמצעות התחברויות חוצות קרום עם שלד התא. הפעלת אינטגרינים להתחברות עם המטריצה ולאיתות היא רב-צדדית ועשויה לכלול אינטראקציות אלוסטריות (המביאות לשינוי בצורה המרחבית של החלבון), אשכולות ליצירת מתחמי איתות, או עליית מתח שלד התא באמצעות היצמדויות בתיווך אינטגרינים. התחברויות אלה עשויות ליצור מתחמי היצמדות ממוקדת (איור 2) בין התאים למטריצה ​​או ליצור אינטראקציות תא-תא, הממלאים תפקידים קריטיים בהעברת כוחות על פני קרום התא וחישה תאית של נוקשות המטריצה. התחברויות אלה משפיעות על התנהגות התאים, כולל היצמדות, נדידה, צורת התא, שגשוג, בידול תאי גזע, המרת אותות תוך-תאית ומחזור המטריצה.

תעלות יונים מופעלות מתח הינן חלבונים חוצי-קרום היוצרים נקבוביות גדולות מספיק בקרום התא בכדי להעביר סידן וקטיונים אחרים כאשר נפתחות. מתח קרום תא המושרה מכנית מסוגל לפתוח את התעלות כדי לאפשר זרם של קליחת יונים, תלוי בשיפוע הריכוזים לאורך הקרום. איזון יוני חשוב לתפקודי תא רבים ותורם לפוטנציאל החשמלי המווסת היטב של קרום התא. ריכוזי סידן תוך-תאי מווסתים איתות תוך-תאי, פילמור של אקטין, שיפוץ שלד התא ותנועתיות תאים.

קולטנים מצומדי חלבון-G הם חלבונים גדולים עם שבעה תחומים/דומיינים חוצי-קרום. החלק החוץ-תאי קושר הרבה חלבונים ומולקולות אפקטור, כגון, גורמי גדילה, ציטוקינים דלקתיים, נוירופפטידים והורמונים, אשר יוצרים שינוי צורה במבנה החלבון. לאחר ההפעלה, החלק התוך-תאי של הקולטן יוצר אינטראקציה עם חלבוני G תוך-תאיים כדי להשפיע על מפל האיתות בהתאם לספציפיות האות. קולטנים אלה עשויים להיות מופעלים גם על ידי עומסים מכניים על פני התא, אשר יוזמים מפלים של שליח שניוני בתוך תא.

קולטנים של גורמי גדילה מופעלים על ידי קשירת גורמי גדילה חוץ-תאיים, אשר בתורם, מפעילים מספר מסלולי שליח שניוני בתיווך קולטן בתוך התא. קולטנים של גורמי גדילה מתקשרים עם קולטני חישה מכנית אחרים בקרום התא ונמצאו כגורמים להשפעות של איתות מצטבר או משלים.

אינטראקציות בין תאים גם יוצרות השפעה מכנית על תאים שכנים באמצעות מולקולות היצמדות של תאים (CAMs). מולקולות דבק אלה כוללות חלבונים חוצי-קרום, כגון, אינטגרינים, קדהרינים (cadherins), סלקטינים (selectins) וקונקסינים (connexins), המחברים תאים יחד למטרות מבניות ותפקודיות. צמתי ההיצמדות בין תאים (Adherent junctions) דומים למתחמי ההיצמדות הממוקדת בין התא למטריצה, עם קישורים דינמיים לשלד האקטין שמגיבים למתח מכני.

קולטני קרום התא מקיימים אינטראקציה ליצירת רב-שיח בין מפלי איתות תוך-תאי, משפיעים על מבנה ותפקוד שלד התא, ומווסתים או פועלים בסינרגיה עם אירועי המרה אחרים. מנגנוני המרת אותות מכניים וכימיים מעוררים אותם מסלולי איתות תוך-תאי, ואף אחד מהם לא פועל בבידוד מן האחר; סביר יותר שיש השפעות סינרגיסטיות ומתחרות להגביר או להקטין את ההשפעה על גנים. בנוסף, כוחות מכניים המועברים דרך שלד התא משפיעים על קרום הגרעין דרך הקישוריות שלו עם קורי שלד התא. השליטה בגורל התא כולל גדילה, בידול ומוות של תאים מיוחסת למכניקת גרעין התא המוסדרת על ידי קשרים אלה.

 

השפעות במורד הזרם של גירוי מכני

(בביולוגיה מולקולרית המונחים במעלה הזרם ובמורד הזרם יכולים להתייחס לסדר הזמני והמכניסטי של אירועים תאיים ומולקולריים. לדוגמה, בהמרת אות, שליח שניוני פועל במורד הזרם ל- כלומר, על פי הסדר הזמני, לאחר הפעלת קולטני קרום התא; ולהפך, הפעלה של קולטני קרום התא מתרחשת במעלה הזרם של- כלומר, לפני הייצור של שליח שניוני.)

המרה (Transduction)

המרת אות על פני קרום התא היא רק הצעד הראשון בתהליך רב-שלבי. השלב הבא כולל מספר מתווכים תוך-תאיים פוטנציאליים, הנקראים "מפלי איתות", אשר מעבירים את האות מפני השטח לנקודת הסיום של האפקטור, ללא קשר אם המדובר באיברון תוך-תאי, פונקציה ציטוזולית, או בהעברת גורמי תעתוק לגרעין למטרת וויסות גנים.

 תעתוק (Transcription)

אם האות המכני מפעיל גורמי תעתוק, חלבונים אלה מועברים (translocation) על פני מעטפת הגרעין כדי להשפיע על הביטוי של גנים. תעתוק הוא התהליך האנזימטי שבאמצעותו מתרחשת התרה של ה-DNA ומקטע ספציפי של DNA – גן – מועתק ל-RNA שליח (mRNA) עם התאמה מדויקת של נוקלאוטידים (מרכיבים את החומר התורשתי). ה-mRNA נארז ואז יוצא דרך נקבוביות הגרעין חזרה אל הציטוזול, שם יתורגם לחלבון.

בנוסף להפעלת גורמי תעתוק, נמצא כי כוחות מכניים משנים ישירות את הובלה של גורמי תעתוק וסידן על פני מעטפת הגרעין ותעלות יונים גרעיניות, בהתאמה. לפיכך, עומסים מכניים משפיעים על התעתוק בעקיפין דרך מפל האיתות המופעל על ידי קולטן, או ישירות על ידי שינוי ההובלה על פני קרום גרעין התא.

תרגום (Translation)

לאחר הכניסה לציטוזול, mRNA נקשר על ידי ריבוזומים לפענוח ההודעה. רצף ה-mRNA שנקרא קודם לכן מהגן במהלך התעתוק, מכיל קודונים, שהם רצועות של 3 נוקלאוטידים המותאמים לחומצות אמינו ספציפיות. RNA מוביל (tRNA) מקל על תהליך ההתאמה מ- mRNA לחומצות אמינו, המקושרות ברצף אחר כך ליצירת חלבונים. לאחר התרגום, חלבונים ממוינים וממוקדים לפי הרצף שלהם ותפקידם המיועד להגיע ליעד הנכון בתא או להשתחרר מהתא דרך מסלול ההפרשה. במסגרת התהליך שלאחר התרגום, חלבונים משתנים, מקופלים ונארזים לצורך הובלה דרך הרשתית האנדופלזמית לווסיקולות הגולג'י, ציסטרנות הגולג'י ואז לבועיות הובלה והפרשה. קיפול ושינויי חלבונים מעניקים בקרת ויסות ופונקציונליות לכל חלבון, ושינויים אלה מוכתבים על ידי רצף החלבון כפי שתועתק ותורגם. חלבונים הם השחקנים הראשיים בהתנהגות התאים, ורצף חומצות האמינו והצורה המרחבית (קונפורמציה) שלהם מספקים ספציפיות תפקודית. כל התהליך המולקולרי הזה, החל מהמרה, תעתוק ותרגום ועד להובלת חלבון, מווסת היטב, ועם זאת מגיב להפרעה מכנית.

תפקיד המטריצה החוץ-תאית (ECM)

השלמות והנוקשות (stiffness) של המטריצה החוץ-תאית ממלאים תפקידים משמעותיים בהעברת כוח וחישה מכנית. תאים מעריכים את נוקשות המטריצה ​​הסובבת אותם על ידי משיכה דרך מוקדי ההיצמדויות שלהם (איור 2), שהם חיבורי אינטגרין מרוכזים בין המטריצה לשלד התא. נוקשות הרקמות מנחה תגובות תא רבות, כולל הגירה, שגשוג ואפילו בידול של תאי גזע, במהלך התפתחות העובר, היווצרות איבר או התחדשות רקמות. תאים ילידים מעדיפים את המצע הטבעי המקורי שלהם, ולכן הספציפיות של המבנה הסביבתי מנחה התנהגות תא. פגיעה במטריצה מספקת רמזים מכניים לתאים לעצב מחדש את סביבתם באמצעות הרכבה וייצור של חלבוני מטריצה מקוריים.

תגובתיות לעומס (Load Responsiveness)

המונח "טנסגריטי" הוטבע על ידי האדריכל והמהנדס, באקמינסטר פולר, בשנת 1961 כדי לתאר את שלמות המתח (tensional integrity) של מבנים שעשויים מרכיבים פנימיים תחת עומס דחיסה הנתונים בתוך מערכת מתח חיצונית. ד"ר דונלד אינגבר, ביולוג ומהנדס ביולוגי מאוניברסיטת הרווארד, החיל לימים את המונח על מערכות ביולוגיות כדי לתאר את המסגרת המולקולרית המקיימת את המבנה ההיררכי של מערכות החל מתאים, לרקמות, לאיברים ולבסוף לאינטראקציות ברמת האורגניזם.

איברים ורקמות מאורגנים כהיררכיות מבניות במצב דריכה (prestress), המגיבות מיידית לגירוי מכני. צימוד מכני של התאים למטריצה באמצעות חלבונים הקשורים לקרום, מאפשר להם לחוש ולהגיב לעיוותי מטריצה או לשינויים בנוקשות המטריצה; הפרעות בארכיטקטורה מבנית זו מסדירות תגובות ביולוגיות.

דריכה מבנית ותגובתיות מכנית של רקמות ותאים לעומסים מעניקות רלוונטיות של מכנוביולוגיה לעבודה של פיזיותרפיסטים בכך שכוחות המופעלים על הגוף מווסתים ומשפיעים על הביוכימיה, ביטוי גנטי, שלמות הרקמות בהומאוסטזיס, ותהליכי התפתחות ותיקון רקמות. תהליכי מחלה רבים אחרים שאינם קשורים חולקים מכנוטרנסדוקציה לא תקינה, שכן האטיולוגיה או הראיות הקליניות והמולקולות המתווכות את המכנוטרנסדוקציה מציגות יעדים טיפוליים להקלה על מחלות אלה. פיזיותרפיסטים (כמו גם מאמני כושר, ספורט ואנשי מקצועות התנועה) משתמשים בכוחות מכניים כדי להשפיע על רקמות בריאות ועל ריפוי של רקמות שניזוקו ועשויים להשתמש בקלות בכלים אלה במסגרת האימון והטיפול כדי לשפר את התפקוד ולהשפיע על מטרות הקשורות למכנוטרנסדוקציה.

ספציפיות הטעינה (Load Specificity)

החישה של כוחות מכניים כגון, מתיחה, דחיסה וגזירה, מועברת בממשקי תא-תא, תא-מטריצה, ותא-חלל (איור 1). כוחות אלה יוצרים תגובות שיכולות לחזק את המתחמים נושאי העומס או לשנות את פיזור הקולטנים כדי להפחית את העומס. באופן זה, תאים יכולים לגייס תגובה ספציפית מיידית כדי להגביר או להקטין את תגובות התעתוק לעומס. כשם שתאים ילידים מעדיפים את המצע הטבעי המקורי שלהם, כך כל סוג תא מגיב באופן נבדל למגוון הכוחות אליהם הוא נחשף. תאים מגיבים באופן נבדל גם לעוצמה, משך ותדירות העומס המופעל. בנוסף, מרבית תגובות התעתוק לעומסים מתווכות באמצעות מפל של שליחים שניוניים והן עלולות ליצור השפעות ביולוגיות מתמשכות.

להלן דוגמאות לעומסים וספציפיות התגובה של רקמות. הדוגמאות משמשות אך ורק כמבוא להשפעה הרחבה שיש למכנוביולוגיה על בריאות ומחלות בכל התחומים הרבים של תנועה ושיקום התפקוד התנועתי.

כוח גזירה ותאי אנדותל

תאי האנדותל מרפדים את כלי הדם ונחשפים ללא הרף למאמצי מערכת הלב וכלי הדם: מאמץ גזירה שמפעיל נוזל הדם וכוח חיכוך לכל יחידת שטח שנגרם בשל זרימת הדם; לחץ הדם, המניע את זרימת הנוזלים, מפעיל מתיחה היקפית (circumferential) רגילה על דופן כלי הדם, הן על תאי האנדותל והן על תאי השריר החלק של כלי הדם (VSMCs) המקיפים את שכבת האנדותל בעורקים; לחץ הידרוסטטי כשלעצמו עשוי גם לשנות את הפיזיולוגיה התאית, אך הוא הרבה פחות חשוב מהכוחות שהוזכרו; תאי האנדותל מושפעים גם ממתח מכני מחזורי מפעימות הלב ונפח הלחצים.

מאמצי גזירת הנוזל נדרשים להפעלת תעתוק גנים הנחוצים לייצור חלבונים קריטיים עבור הומאוסטזיס וסקולרי, גורם גדילה B שמקורו בטסיות הדם (PDGFB), סינתאז 3 של חנקן חמצני (NOS3) ומולקולת הדבקה 1 של תאי אנדותל (PECAM1). מאמץ הגזירה מווסת גם את הקשר של גורמי התעתוק לאזור המקדם בגנים אלה (promoter region). מאמץ גזירת הנוזל נחוץ להישרדות ושלמות האנדותל. הפרת הסדרים (דה-רגולציה) של יחסי תעתוק אלה התגלתה כתורמת לטרשת עורקים ולזרימה עירבולית (טורבולנטית) כתוצאה מכך, המשמשת כמשוב-קדימה ליצירת טרשת עורקים נוספת.

מתח ורקמת הריאה

החלת מתח על תאי אפיתל הריאה במהלך התפתחות העובר מפעילה את גורמי התעתוק NF-kB וגורם תגובה בסרום. גורמי התעתוק הללו מסדירים את ההתבגרות והמורפוגנזה של הסתעפות הריאה, יחד עם היווצרות של שריר חלק הנחוצה להתפתחות הסימפונות. בזמן הלידה, המעבר לנשימת אוויר יוצר שינויים בפיזור הכוח על פני רקמת הריאה ומביא להיווצרותן של התבניות האלוואולריות והתבגרותן. אסתמה ופגיעות ריאה שנגרמות על ידי הנשמה וקשורות לעומסי מתיחה מוגזמים, מיוחסות לדה-רגולציה של גורם התעתוק NF-kB ולשינויים מבניים ופיזיולוגיים מזיקים כתוצאה מכך היות שבין יתר תפקידיו, גורם התעתוק NF-kB ממלא תפקיד מפתח בהישרדות התא וויסות התגובה החיסונית לזיהומים דלקתיים. שינויים במטריצה בתגובה לרמזים מכניים נקשרו לאחרונה לפתוגנזה של מחלות ריאה כרוניות פיברוטיות כגון, פיברוזיס ריאתי אידיופתי. הקשיחות של מטריצת הריאה כתוצאה מהצטלקות קשורה לאירועים בהשראה מכנית המגבירים את נוקשות המטריצה, התפתחות מחלה שמובילה בסופו של דבר לירידה בהיענות הריאות ונפחת (emphysema). הבנה טובה יותר של תפקיד מכניקת המטריצה באינטראקציות מטריצה-תא תהווה גורם קריטי בגישות רגנרטיביות להנדסת רקמת ריאה תפקודית.

דחיסה, הארכה ועצם

בשנת 1892, יוליוס וולף היה האדם הראשון שהציע כי עצם משנה את המבנה הפנימי שלה בהתאם לכוחות הפועלים עליה. כעת אנו יודעים כי אוסטאוציטים, השוכנים במפרציות (lacunae) של מערכת האוורס (Haversian system), הם תאי העצם הרגישים בעיקר למכנוטרנסדוקציה ומגיבים אליה. בגלל המטריצה ​​הקשה של עצם קורטיקלית, האוסטאוציטים מוגנים מפני עומסי דחיסה ובמקום זאת מגיבים למאמץ גזירת נוזל הביניים (Interstitial fluid) בהשראת רשת המפרציות-תעליות (lacunar-canalicular network) בתגובה לדחיסה. אוסטאוציטים שולחים זרועות תא ארוכות ודקות דרך הרשת הנקבובית של תעליות ומתחברים לאוסטאוציטים אחרים באמצעות צמתי פער (gap junctions). זרימת נוזל הביניים מעוררת תעתוק של אוסטאוציטים ותרגום של חלבונים האחראים לשלמות העצם; זרימת נוזל נמוכה קשורה לאוסטאופורוזיס. אוסטאוציטים אחראים להומאוסטזיס של מטריצת העצם ונראה כי הם מתזמרים גיוס בררני של אוסטאובלסטים (תאים שאחראים ליצירת עצם) במצבי עומס גבוה, או אוסטאוקלסטים (תאים שאחראים לספיגת עצם) במצבי עומס נמוך, כדי לווסת את שיפוץ העצם ולשקם את המצב היציב שלה.

הארכת עצמות (Distraction osteogenesis) היא פעולה רפואית כירורגית במהלכה מתבצעת הארכה של אחת מעצמות השלד. טכניקה זו משתמשת בכוחות מתיחה בכדי לגדל עצם חדשה בריפוי שברים. הוכח כי אוסטאובלסטים שנחשפו למתח מגבירים את יצור האוסטאופונטין (חלבון מבני) ומספר חלבונים מורפוגניים בעצמות. בנוסף, יש עדויות לכך שתאי גזע מזנכימליים ממוח העצם, שהם תאים תחיליים (progenitors) לאוסטאובלסטים ואדיפוציטים, עשויים להגיב לתרגילים ברטט גבוה ועצימות נמוכה (כגון, (vibration plate על ידי בידול לכיוון של בניית עצם, תוך הפיכת האיזון ממצב של אגירת שומן למצב של שקיעת עצם.

ריבוי כוחות וסחוס

בדומה לאוסטאוציטים, הכונדרוציטים – תאי הסחוס המפרקי – עטופים במבנה מטריצה ​​מורכב המספק להם הגנה כנגד מאמצים. כל כונדרוציט שוכן בתוך כונדרון המהווה מטריצה קדם-תאית דקיקה (pericellular matrix) בתוך המטריצה של סחוס מפרקי. המטריצה הקדם-תאית מעבירה כוחות בין המטריצה החוץ-תאית לכונדרוציט, והכונדרון נחשב ליחידה המכנית של סחוס. הכונדרוציט המפרקי חי בסביבה דינמית עתירת כוחות: מאמץ גזירה, לחץ אוסמוטי, דחיסה, מתח ולחץ הידרוסטטי, אשר כולם מווסתים באופן ספציפי את התגובות הגנטיות במהלך עומס מפרקים פיזיולוגי.

הוכח כי דחיסה מחזורית דינמית, ולחץ הידרוסטטי מגבירים את את התעתוק והתרגום של חלבוני המטריצה: אגרקאן וקולגן מסוג 2, ואילו דחיסה סטטית מפחיתה את שניהם. בנוסף, מאמץ גזירה הגביר עוד יותר את התעתוק והתרגום של חלבוני המטריצה: פרוטוגליקן וקולגן, בכונדרוציטים של בקר ביחס לעומס דחיסה, ואילו דחיסה חריגה גורמת לדה-רגולציה של NF-kB, דבר שמוביל לשינויים ניווניים במפרק.

הכיווניות המנוגדת של הריסנית הראשונית על כונדרוציטים בסחוס המפרקי, בהשוואה לאלה שנמצאים בסחוס האפיפיסיאלי, מעידה על האפשרות של רמזים מכניים המכוונים לשגשוג והשפעה על כיווניות המטריצה בתגובה לדחיסה. אם כן, כונדרוציטים נתונים לעומסים מכניים רבים בבריאות ובחולי והם מסוגלים להגיב ספציפית לגירויים מכניים מובחנים כדי לווסת חילוף החומרים וייצור של מטריצת סחוס.

מתח ושרירי שלד

זה מכבר הובן כי מתח מוגבר דרך אימוני התנגדות מביא לעלייה במסת השרירים (היפרטרופיה), ואילו חוסר שימוש גורם לאטרופיה של שרירים (ירידת המסה/נפח). רבים מהמנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס מתחילים להצביע על מכנוטרנסדוקציה כגורם מכריע בוויסות של סינתזת חלבון, איזון סידן, כוויצות (contractility), ומסת השריר. כל תא או סיב שריר מכיל מיופיברילים ויחידות כיווץ (סרקומרים) לכל אורכו. דיסקי-Z תוחמים כל סרקומר וחשובים ליציבות מכנית, אך בנוסף, הם מורכבים מחלבונים רבים החשובים למכנוטרנסדוקציה ומחזור החלבונים בשריר, בעוד שחסר שלהם קשור למחלות רבות בבני אדם. בנוסף, ישנן עדויות המצביעות על כך שסיבי שריר מסוגלים להבדיל בין מתח אורך כרוני שמביא לצמיחה אורכית של השריר דרך הוספת סרקומרים ברצף סדרתי, לבין עומס תפקודי או עומסי התנגדות לאורך זמן, המייצרים היפרטרופיה מדידה בחתך רוחב. מחקר נמרץ מנסה לאתר את החיישן המכני של היפרטרופיה. ככל שהמנגנונים הללו יובהרו עוד יותר, תיווצר האפשרות לדייק בסוג, בתדירות ובמשך החלת העומס כדי ליצור את האפקט הרצוי על מסת השריר.

מתח וגיד

טנוציטים (פיברובלסטים של גיד), סוג התאים העיקרי בגיד, משובצים בעיקר בצרורות מקבילים צפופים של קולגן מסוג 1. כאשר גידים נמצאים במצב של מתח מכני, הטנוציט חווה כוחות דחיסה וגזירה דרך קשריו אל צרורות הקולגן, ומתח בכיוון עומס המתיחה. הטנוציט רגיש מכנית, עם תגובות תעתוקיות ספציפיות לחסר עומס, עומס פיזיולוגי ועומס יתר. חסר בעומס מפחית את הביטוי של מספר חלבוני מטריצה, כולל קולגן, אגרגאן, דקורין ופיברונקטין, ואילו עומס יתר מייצר ביטוי מוגבר של ציטוקינים פרו-דלקתיים, כגון, פרוסטגלנדינים ואנזימי מטריצה (מטלופרוטאינזות). עומס פיזיולוגי יוצר הומאוסטזיס של המטריצה ​​עם שגשוג של טנוציטים וייצור מטריצה בהתאם לעומס. חוקרים זיהו כי התדירות, משך וגודל העומס יוצרים תגובות תא אנבוליות וקטבוליות מובחנות, והגיעו למסקנה כי נדרשים טווחים ספציפיים של עומסים מכניים לצורך הומאוסטזיס וריפוי של רקמות.

מתח ועור

מחקרים בנושא ריפוי פצעים סיפקו רמזים להשפעות של מכנוטרנסדוקציה באמצעות החלת כוח דחיסה (חבישות לחץ) כדי למזער הצטלקות פיברוטית, וטיפול בלחץ שלילי כדי להאיץ סגירת פצע. רוב סוגי התאים העיקריים שנמצאו בעור זוהו כמגיבים מכנית, אך תא הפיברובלסט הוא הנחקר ביותר. פיברובלסטים מגיבים למתח על ידי שגשוג וביטוי מוגבר של קולגן, פנוטיפ אקטין של שריר חלק, וציטוקינים. ביטוי של אקטין אלפא של שריר חלק (a-SMA) הוא שלב קריטי בהתכווצות הפצע, אך אם הוא אינו מווסת כראוי בגלל מתח מוגזם או ייצור מוגזם של גורם גדילה ביתא (TGF-b), הוא עלול לגרום להיווצרות צלקת היפרטרופית. טיפולי לחץ משמשים כאמצעי מכני כבר למעלה מ-25 שנים בכדי להפחית צלקות כתוצאה מכוויות למניעת הצטלקות יתר. בנוסף לפיברובלסטים, קרטינוציטים משתמשים במנגנוני חישה מכנית ונמצא כי הם מושכים פיזית את המטריצה לפני שהם נודדים על גבי אזור הפצע; מהלך זה מצביע על היכולת של תאים אלה לקבוע האם המטריצה ​​מוכנה לסגירה.

חשיבותם של עומסים פיזיולוגיים לשלמות רקמות בבריאות והשימוש בעומסים מדויקים בתיקון וריפוי

פיזיותרפיסטים (וכן אנשי מקצועות הכושר והתנועה) מבינים את החשיבות של שלמות הרקמות לבריאות הכללית ולתפקוד, ומודעים להשפעות המזיקות של חסר עומס, ועומס יתר על הרקמות. לפיזיותרפיסטים יש הערכה כללית לגבי תגובת הרקמות לטעינה, ולכן נעשה שימוש במושגים ביולוגיים אלה בכדי להתקדם בעצימות ההתערבויות במשך הזמן לבניית קיבולת רקמה. עם זאת, כאשר ממשיכים להציב שאלות קליניות הקשורות למינון, אין את התשובות הדרושות כדי להעמיס רקמות מחלימות באופן מדויק עם התדירות, משך הזמן, הגודל וסוג העומסים המדויקים בכדי להשיג תוצאה אופטימלית. הרמזים למינון מבוססים על תגובת המטופל להתערבות, ללא קשר אם יש דלקת או לא. באמצעות המכנוביולוגיה, אנו יודעים כי עומס חריג המוחל על רקמות רבות מגדיל את הייצור הגנטי של מתווכים ואנזימים פרו-דלקתיים. עם זאת, המינון האידיאלי של עומסים מכניים אינו ידוע, וגם לא מתי כדאי להשתמש בהם במהלך תהליך תיקון הרקמה כדי לייצר את ההשפעות האופטימליות של שקיעת מטריצה, יישור הסיבים ושלמות הרקמה. בהתחשב בהתקדמות הטכנולוגית, תחומי המכנוביולוגיה והרפואה הרגנרטיבית בשלים למחקר עתידי, הכוללים השלכות קליניות של ספציפיות הכוחות ומינון העומסים על מנת לייעל את ניצול המשאבים לאורך זמן ולשפר את התוצאות הקליניות הקשורות להתערבויות טיפוליות חדשות וישנות.

 

Dunn2016-1-MechSn cell membrane receptors & tissue deformation

איור 1. קולטנים רגישים מכנית בקרום התא מגיבים לעיוות של רקמות.

(חלק עליון) כוחות מכניים מורגשים ומומרים בממשקי תא-תא, תא-מטריצה ותא-חלל דרך מתחמי היצמדות, תעלות יונים מופעלות מתח או קולטנים על פני התא. האותיות "a" עד "h" מייצגות את הדרכים השונות בהן תאים משתמשים כדי לחוש גירויים מכניים: (a) תעלות יונים מופעלות מתח נפתחות כדי לאפשר זרם של קליחת יונים; (b) ריסנית ראשונית או גליקוקליקס על פני התא חשים מאמצי גזירת נוזל או דחיסה; (c ו-d) קשרים עם תאים סמוכים או עם המטריצה מאפשרים לתאים לחוש ולהגיב לסביבתם הפיזית המקומית; (e) חלבונים חוץ-תאיים במטריצה החוץ-תאית מפעילים כוחות על התא; (f) רכיבי שלד התא כאשר במתיחה, מעבירים וחשים כוחות על פני קרום התא; (g) רכיבי שלד התא נצמדים למעטפת הגרעין כדי לחוש את עיוות התא ומשנים אירועי תעתוק; (h) דחיסה תוך-תאית משפיעה על אירועי קשירת קולטנים על פני התא.

(חלק תחתון) קולטנים על פני תאים הידועים כרגישים מכניים כוללים: קולטנים של גורמי גדילה, אינטגרינים, תעלות יונים מופעלות מתח וקולטנים מצומדי חלבון-G. לאחר גירוי, הקולטנים מפעילים מתווכים ציטוזוליים תוך-תאיים (מיוצגים בתיבות) כדי ליזום מפל איתות. מפלים אלה עלולים לגרום לתרגום גרעיני של גורמי תעתוק (למשל, NF-kB), המשפיעים על ויסות גנים ועל התנהגות תאים.

 

Dunn2016-2-FAs Complex-by Integrins

איור 2. מתחם של היצמדות ממוקדת: מתחם קשירה של תא-מטריצה בתיווך אינטגרינים. תרשים של האופן בו כוחות המופעלים באמצעות המטריצה החוץ-תאית (A) או ישירות על פני התא (B) עוברים לאינטגרינים המעוגנים למתחמי היצמדות ממוקדת דרך חיבורי מטריצה ​​או קורים של שלד התא, בהתאמה. מתח המיוצר בתוך תא והכוחות המועברים באמצעות מגע בין תאים מגיעים באופן דומה להיצמדויות ממוקדות דרך שלד התא.

 

לסיכום

מכנוביולוגיה, כתחום מדעי, התבססה, ויש לה הוכחות וטכניקות מוצקות. ד"ר דון וד"ר אולמדו מציעות שזמנים מרגשים לפנינו, עם פוטנציאל לגילויים רבים לגבי הרלוונטיות של המכנוביולוגיה בבריאות, מצבי חולי, התערבויות טיפוליות לשיקום התנועה והתפקוד, ואוסיף גם פעילות גופנית ואימוני כושר לסוגיהם.

מקורות:

Mechanotransduction: Understanding Our Ability to Affect Genetic Expression Through Mechanical Forces-Relevance to Physical Therapists, trainers and movement ., Sharon L. Dunn, Margaret L. Olmedo, 2016

תמונות:

Sharon L. Dunn, Margaret L. Olmedo, 2016

Torsten Wittmann, Scripps Research Institute