Trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển sinh học tế bào và y sinh học, vai trò điều tiết của môi trường vi trọng lực đối với chức năng sinh lý của tế bào đang trở thành điểm nóng nghiên cứu. Con đường truyền tín hiệu nội bào đóng vai trò là trung tâm trung tâm để điều chỉnh các hoạt động sống như tăng sinh tế bào, biệt hóa và apoptosis. Cơ chế đáp ứng của nó trong điều kiện vi trọng lực là chìa khóa để phân tích những thay đổi trong trạng thái sinh lý của tế bào. Khoa Dự Hưng NghiệpHệ thống nuôi cấy tế bào 3D vi trọng lực TDCCS-3DXây dựng chính xác môi trường mô phỏng vi trọng lực 10⁻³G với công nghệ quay ba chiều lực cắt thấp, cung cấp một nền tảng thử nghiệm ổn định và đáng tin cậy để khám phá ảnh hưởng của vi trọng lực đối với tín hiệu trong tế bào, thúc đẩy nghiên cứu liên quan từ lý thuyết đến ứng dụng.
Nhận thức và phản ứng của tế bào đối với các kích thích cơ học bên ngoài phụ thuộc vào sự phối hợp của các thụ thể cơ học trên bề mặt màng tế bào và các con đường tín hiệu hạ lưu. Môi trường vi trọng lực được tạo ra bởi hệ thống TDCCS-3D, bằng cách thay đổi môi trường vi mô cơ học của tế bào và định hình lại mạng truyền tín hiệu nội bào từ nguồn, cơ chế cốt lõi của nó có thể được quy về ba điểm.
-
Kích hoạt và tái tạo các thụ thể cơ học
Các thụ thể cơ học như integrin, cadherin, các kênh ion (như Piezo1) trên bề mặt màng tế bào là "lính gác phía trước" của tế bào để cảm nhận sự thay đổi trọng lực. Trong môi trường vi trọng lực, bức tường và trạng thái kéo dài của tế bào thay đổi và mô hình liên kết của integrin với ma trận ngoại bào được điều chỉnh, từ đó kích hoạt sự thay đổi cấu hình và kích hoạt kết hợp của nó. Integrin hoạt hóa kích hoạt các enzyme bám dính (FAK) ở hạ lưu, kích hoạt trục tín hiệu FAK-Ras-ERK trong khi điều chỉnh sự tái tổ hợp của bộ xương tế bào. Ngoài ra, kênh ion Piezo1 mở dưới sự thay đổi lực căng cơ học do vi trọng lực gây ra, làm trung gian dòng ion canxi bên trong, cung cấp tín hiệu kích hoạt cho con đường tín hiệu phụ thuộc canxi.
-
Cấu trúc lại bộ xương tế bào Điều chỉnh tín hiệu điều khiển
Môi trường vi trọng lực có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc lắp ráp và phân phối bộ xương tế bào (sợi vi mô, ống vi mô, sợi trung gian). Giảm mức độ trùng hợp của sợi actin, ức chế sự hình thành pseudopodia của tế bào, dẫn đến sự thay đổi hình thái tế bào thành hình cầu; Sự mất ổn định động của vi ống tăng lên, ảnh hưởng đến vị trí của các cơ quan tế bào và vận chuyển vật chất. Việc tái cấu trúc bộ xương tế bào không chỉ thay đổi các đặc tính cơ học tế bào, mà còn điều chỉnh hoạt động của con đường tín hiệu thông qua tương tác với các phân tử tín hiệu. Ví dụ, sự khử trùng của bộ xương sợi có thể ức chế hoạt động của các thành viên trong gia đình enzyme Rho GTP, từ đó ảnh hưởng đến tín hiệu liên quan đến di chuyển tế bào; Những thay đổi trong cấu trúc vi ống có thể can thiệp vào việc nuốt và truyền tín hiệu của phối tử-thụ thể trong đường Notch.
-
Phản hồi và điều khiển hệ thống Messenger thứ hai
Các sứ giả thứ hai trong tế bào (ví dụ cAMP, Ca²⁺, IP3) là các chất trung gian quan trọng trong việc truyền tín hiệu và sự thay đổi nồng độ của chúng cho thấy sự đều đặn đáng kể trong môi trường vi trọng lực. Thiết kế lực cắt thấp của hệ thống TDCCS-3D, tránh thiệt hại cơ học cho màng tế bào và đảm bảo phản ứng ổn định của hệ thống messenger thứ hai. Vi trọng lực có thể làm thay đổi nồng độ cAMP nội bào bằng cách kích hoạt adenylate cyclase hoặc phosphodiesterase, điều chỉnh hoạt động của protein kinase A (PKA), từ đó ảnh hưởng đến sự tăng sinh và biệt hóa của tế bào. Đồng thời, sự gia tăng dòng ion canxi kích hoạt canxi (CaM), bắt đầu con đường tín hiệu CaM-CaMK II, tham gia vào việc điều chỉnh biểu hiện gen. Những thay đổi trong các sứ giả thứ hai này, giống như "bộ điều chỉnh" trong mạng truyền tín hiệu, thúc đẩy điều chỉnh thích ứng trạng thái sinh lý của tế bào.
Môi trường vi trọng lực được mô phỏng bởi hệ thống TDCCS-3D, có tác dụng điều hòa đáng kể đối với nhiều con đường dẫn tín hiệu lõi trong tế bào, từ đó ảnh hưởng đến hoạt động sống của tế bào, sau đây là các đặc điểm đáp ứng của một số con đường chính.
-
Con đường tín hiệu Wnt/β-catenin
Con đường Wnt là con đường cốt lõi để điều chỉnh sự đa năng của tế bào gốc và sự khác biệt định hướng. Trong môi trường vi trọng lực, hoạt động của enzyme tổng hợp glycogen nội bào kinase 3β (GSK-3β) bị ức chế, dẫn đến mức độ phosphoryl hóa beta-catenin giảm, do đó tích lũy trong tế bào chất và chuyển vào nhân, liên kết với yếu tố phiên mã Tcf/Lef, kích hoạt biểu hiện của các gen liên quan đến đa năng như Oct4, Sox2, Nanog. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy, sau khi tế bào gốc được nuôi cấy trong hệ thống TDCCS-3D, mức độ kích hoạt của con đường Wnt tăng lên đáng kể, biểu hiện dấu hiệu đa năng tăng hơn 30%, và khả năng tự làm mới của tế bào tăng lên đáng kể. Ngoài ra, vi trọng lực quy định con đường Wnt là loại tế bào cụ thể, và đối với các tế bào khối u, nó có thể làm giảm khả năng tăng sinh và xâm lấn của tế bào bằng cách ức chế sự kích hoạt bất thường của con đường Wnt.
-
Đường dẫn tín hiệu PI3K/AKT/mTOR
Con đường PI3K/AKT/mTOR là con đường quan trọng để điều chỉnh sự trao đổi chất năng lượng, tăng trưởng và tồn tại của tế bào. Môi trường vi trọng lực có thể kích hoạt PI3K thông qua trục tín hiệu Integrin-FAK, thúc đẩy nó xúc tác chuyển đổi phosphatidylinositol diphosphate (PIP2) thành phosphatidylinositol triphosphate (PIP3), từ đó tuyển dụng AKT vào màng tế bào và kích hoạt phosphoryl hóa xảy ra. AKT kích hoạt có thể kích hoạt thêm phức hợp mTOR, điều chỉnh sinh tổng hợp ribosome và dịch protein, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của tế bào. Đồng thời, việc kích hoạt con đường mTOR ức chế sự biểu hiện của các gen liên quan đến autophagy và giảm mức độ autophagy của tế bào. Trong hệ thống TDCCS-3D, con đường PI3K/AKT/mTOR của tế bào gốc được kích hoạt vừa phải, vừa đảm bảo sự sống còn và tăng sinh của tế bào, vừa tránh sự khác biệt do kích hoạt quá mức; Đối với các tế bào bị tổn thương, việc kích hoạt con đường này có thể làm tăng khả năng chống tổn thương của tế bào bằng cách ức chế sự biểu hiện của các protein liên quan đến apoptosis, chẳng hạn như Bax.
-
Con đường tín hiệu MAPK/ERK
Con đường MAPK/ERK tham gia vào việc điều chỉnh nhiều quá trình sinh lý như tăng sinh tế bào, biệt hóa và apoptosis. Trong môi trường vi trọng lực, kích hoạt integrin có thể kích hoạt MAPK kinase (Raf) thông qua protein Ras, từ đó bắt đầu phản ứng thác tín hiệu MAPK, cho phép ERK phosphoryl hóa và chuyển sang nhân, điều chỉnh biểu hiện của gen đích hạ lưu. Trong quá trình phân biệt định hướng tế bào gốc, vi trọng lực hướng dẫn tế bào phân biệt theo một dòng dõi cụ thể bằng cách điều chỉnh thời gian và cường độ kích hoạt của con đường ERK. Ví dụ, trong quá trình biệt hóa tế bào xương, sự kích hoạt liên tục của con đường ERK có thể thúc đẩy sự biểu hiện của các gen liên quan đến xương như Runx2, OCC; Trong quá trình phân hóa tế bào thần kinh, sự kích hoạt vừa phải của con đường ERK có lợi cho sự phát triển của các tế bào thần kinh. Đặc tính lực cắt thấp của hệ thống TDCCS-3D, tránh kích hoạt không đặc hiệu của kích thích cơ học đối với con đường MAPK, đảm bảo tính chính xác và lặp lại của kết quả thí nghiệm.
-
Đường truyền tín hiệu Notch
Con đường Notch đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định số phận của tế bào. Môi trường vi trọng lực có thể thay đổi hiệu quả liên kết của thụ thể Notch với phối tử bằng cách ảnh hưởng đến sự phân bố của bộ xương tế bào. Trong một hệ thống nuôi cấy vi trọng lực ba chiều, sự tiếp xúc giữa các tế bào trong một tập hợp tế bào gần gũi hơn, và xác suất liên kết của phối tử Notch (như Jagged1) với thụ thể tăng lên, thúc đẩy cắt thụ thể Notch, giải phóng các phân đoạn nội bào (NICD) và đi vào nhân, kích hoạt biểu hiện của các gen đích (như Hes1, Hey1). Đối với các tế bào gốc tạo máu, việc kích hoạt con đường Notch duy trì các đặc điểm khô của chúng, thúc đẩy sự nhân lên của chúng đối với các tế bào tiền thân tạo máu; Đối với các tế bào gan, sự kích hoạt vừa phải của con đường này có lợi cho việc duy trì chức năng phân cực của nó.
Với thiết kế công nghệ độc đáo, hệ thống TDCCS-3D của Kexing Xingye cung cấp những lợi thế không thể thay thế cho nghiên cứu dẫn tín hiệu tế bào trong môi trường vi trọng lực, chủ yếu được phản ánh trong các khía cạnh sau.
-
Mô phỏng vi trọng lực được kiểm soát chính xác
Hệ thống hỗ trợ điều chỉnh gradient trọng lực phạm vi rộng từ 10 ⁻³G đến 3G, có thể linh hoạt thiết lập các thông số vi trọng lực theo nhu cầu nghiên cứu của các loại tế bào khác nhau để đạt được sự điều chỉnh chính xác môi trường vi mô của cơ học tế bào. Đồng thời, thiết kế lực cắt thấp (lực cắt ≤ 0,01Pa) làm giảm sự can thiệp của các kích thích cơ học vào tế bào, tránh kích hoạt các con đường tín hiệu không đặc hiệu và đảm bảo tính đặc hiệu của nghiên cứu dẫn tín hiệu.
-
Hệ thống nuôi cấy 3D phục hồi trạng thái sinh lý trong cơ thể
So với nuôi cấy hai chiều truyền thống, môi trường nuôi cấy ba chiều được xây dựng bởi hệ thống TDCCS-3D gần gũi hơn với trạng thái tăng trưởng của các tế bào trong cơ thể. Các tế bào hình thành sự tập hợp trong không gian ba chiều, sự tương tác giữa các tế bào và truyền tín hiệu phù hợp hơn với thực tế sinh lý, có thể phản ánh thực sự các quy luật thay đổi của truyền tín hiệu tế bào trong điều kiện vi trọng lực trong cơ thể. Ngoài ra, hệ thống tương thích với một loạt các vật tư nuôi cấy, hỗ trợ các thí nghiệm đồng nuôi cấy và có thể mô phỏng giao tiếp tín hiệu phức tạp giữa các tế bào.
-
Theo dõi và truy xuất dữ liệu toàn bộ quá trình
Hệ thống được trang bị hệ thống giám sát thời gian thực ba trục, có thể ghi lại thời gian thực các thông số chính như gradient trọng lực, nhiệt độ, độ pH trong quá trình nuôi cấy, đảm bảo tính ổn định và nhất quán của điều kiện thí nghiệm. Hồ sơ dữ liệu đầy đủ cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi quá trình thí nghiệm, phân tích mối liên hệ giữa các thay đổi tham số và kích hoạt đường truyền tín hiệu và nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.
Nghiên cứu quy định về truyền tín hiệu tế bào trong môi trường vi trọng lực không chỉ giúp phân tích sâu hơn cơ chế phản ứng cơ học của tế bào, mà còn có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh học.
-
Nghiên cứu tế bào gốc và y học tái tạo
Bằng cách điều chỉnh các con đường tín hiệu như Wnt, PI3K/AKT, hệ thống TDCCS-3D có thể tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy tế bào gốc, nâng cao hiệu quả duy trì đa năng và phân biệt định hướng, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho sản xuất quy mô tế bào chức năng. Ví dụ, trong các nghiên cứu về sự phân biệt tế bào gốc trung mô thành sụn, vi trọng lực làm tăng đáng kể sự biểu hiện của các dấu hiệu đặc trưng của sụn bằng cách điều chỉnh con đường MAPK, cung cấp các tế bào hạt giống chất lượng cao cho kỹ thuật mô sụn.
-
Xây dựng mô hình bệnh ung thư và nghiên cứu phát triển thuốc
Trong môi trường vi trọng lực, con đường truyền tín hiệu của tế bào khối u gần với trạng thái của mô khối u trong cơ thể hơn và có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình thực tế hơn về bệnh ung thư. Bằng cách nghiên cứu cơ chế kích hoạt bất thường của con đường tín hiệu, các tác nhân nhắm mục tiêu có thể được sàng lọc. Ví dụ, việc sử dụng hệ thống TDCCS-3D để sàng lọc các loại thuốc ức chế con đường PI3K/AKT có thể ức chế sự tăng sinh của các tế bào khối u một cách hiệu quả, cung cấp một nền tảng sàng lọc đáng tin cậy cho nghiên cứu và phát triển thuốc chống ung thư.
-
Nghiên cứu sinh học không gian
Hệ thống mô phỏng môi trường vi trọng lực, có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của vi trọng lực không gian đối với chức năng sinh lý của tế bào phi hành gia, phân tích quy luật thay đổi của đường dẫn tín hiệu trong môi trường không gian, cung cấp cơ sở lý thuyết để đảm bảo sức khỏe của phi hành gia. Đồng thời, các kết quả nghiên cứu liên quan cũng có thể cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho sự phát triển của dược phẩm không gian và nuôi dưỡng tế bào không gian.
Là một sản phẩm cốt lõi khác của Kexing trong lĩnh vực nuôi cấy tế bào, hệ thống nuôi cấy tế bào ba chiều vi trọng lực TDCCS-3D, với công nghệ mô phỏng vi trọng lực chính xác, cung cấp một công cụ mạnh mẽ để khám phá những bí ẩn của tín hiệu trong tế bào. Trong tương lai, cùng với nghiên cứu liên quan không ngừng đi vào chiều sâu, hệ thống này sẽ phát huy vai trò quan trọng hơn trong y học sinh học, y học tái tạo, sinh học không gian và các lĩnh vực khác, góp phần chuyển đổi hiệu quả thành quả nghiên cứu khoa học sang ứng dụng lâm sàng.