Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô phỏng sự biến thiên của $$\hbox {Ca}^{2+}$$ bên trong tế bào ở các tế bào xương do lực cắt chất lỏng gây ra và ứng dụng của nó
Tóm tắt
Sự biến thiên của $$\hbox {Ca}^{2+}$$ bên trong tế bào do lực cắt chất lỏng (FSS) gây ra đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa cơ học của các tế bào osteoblast, nhưng cơ chế tế bào vẫn chưa được hiểu hoàn toàn. Ở đây, chúng tôi đã xây dựng một mô hình toán học kết hợp với các thí nghiệm để làm rõ điều này. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm của chúng tôi cho thấy rằng sự trì hoãn trong việc tái phân cực điện thế màng tế bào tạo ra thời gian kháng lại biến thiên của canxi bên trong tế bào do FSS gây ra ở các tế bào osteoblast. Hơn nữa, các kết quả cũng cho thấy rằng biên độ của sự biến thiên canxi bên trong tế bào do FSS gây ra có vai trò quan trọng đối với sự sinh sản, trong khi thời gian của nó lại là yếu tố quyết định đối với sự biệt hóa của các tế bào osteoblast. Nhìn chung, nghiên cứu hiện tại cung cấp một cách để hiểu cơ chế tế bào của sự biến thiên canxi bên trong tế bào ở các tế bào osteoblast do FSS gây ra và giải thích một số sự kiện sinh lý liên quan.
Từ khóa
#canxi bên trong tế bào #tế bào osteoblast #lực cắt chất lỏng #mô hình toán học #biến thiên canxiTài liệu tham khảo
Albrecht MA, Colegrove SL, Friel DD (2002) Differential regulation of ER Ca2+ uptake and release rates accounts for multiple modes of Ca2+-induced Ca2+ release. J Gen Physiol 119:211–233
Allen FD, Hung CT, Pollack SR, Brighton CT (2000) Serum modulates the intracellular calcium response of primary cultured bone cells to shear flow. J Biomech 33:1585–1591
Berridge MJ, Bootman MD, Lipp P (1998) Calcium-a life and death signal. Nature 395:645–648. doi:10.1038/27094
Chen NX, Ryder KD, Pavalko FM, Turner CH, Burr DB, Qiu J, Duncan RL (2000) Ca(2+) regulates fluid shear-induced cytoskeletal reorganization and gene expression in osteoblasts. Am J Physiol Cell Physiol 278:C989–997
Donahue SW, Donahue HJ, Jacobs CR (2003) Osteoblastic cells have refractory periods for fluid-flow-induced intracellular calcium oscillations for short bouts of flow and display multiple low-magnitude oscillations during long-term flow. J Biomech 36:35–43
Genetos DC, Geist DJ, Liu D, Donahue HJ, Duncan RL (2005) Fluid shear-induced ATP secretion mediates prostaglandin release in MC3T3-E1 osteoblasts. J Bone Miner Res 20:41–49. doi:10.1359/JBMR.041009
Godin LM, Suzuki S, Jacobs CR, Donahue HJ, Donahue SW (2007) Mechanically induced intracellular calcium waves in osteoblasts demonstrate calcium fingerprints in bone cell mechanotransduction. Biomech Model Mechanobiol 6:391–398. doi:10.1007/s10237-006-0059-5
Grynkiewicz G, Poenie M, Tsien RY (1985) A new generation of Ca2+ indicators with greatly improved fluorescence properties. J Biol Chem 260:3440–3450
Hung CT, Allen FD, Pollack SR, Brighton CT (1996) Intracellular Ca2+ stores and extracellular Ca2+ are required in the real-time Ca2+ response of bone cells experiencing fluid flow. J Biomech 29:1411–1417
Jacobs CR, Yellowley CE, Davis BR, Zhou Z, Cimbala JM, Donahue HJ (1998) Differential effect of steady versus oscillating flow on bone cells. J Biomech 31:969–976
Kang M, Othmer HG (2009) Spatiotemporal characteristics of calcium dynamics in astrocytes. Chaos 19:037116. doi:10.1063/1.3206698
Kapur S, Baylink DJ, Lau KH (2003) Fluid flow shear stress stimulates human osteoblast proliferation and differentiation through multiple interacting and competing signal transduction pathways. Bone 32:241–251
Korhonen T, Hanninen SL, Tavi P (2009) Model of excitation-contraction coupling of rat neonatal ventricular myocytes. Biophys J 96:1189–1209. doi:10.1016/j.bpj.2008.10.026
Liedert A, Kaspar D, Blakytny R, Claes L, Ignatius A (2006) Signal transduction pathways involved in mechanotransduction in bone cells. Biochem Biophys Res Commun 349:1–5. doi:10.1016/j.bbrc.2006.07.214
Luo CH, Rudy Y (1994) A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. I. Simulations of ionic currents and concentration changes. Circ Res 74:1071–1096
Papachroni KK, Karatzas DN, Papavassiliou KA, Basdra EK, Papavassiliou AG (2009) Mechanotransduction in osteoblast regulation and bone disease. Trends Mol Med 15:208–216. doi:10.1016/j.molmed.2009.03.001
Prentki M, Glennon MC, Thomas AP, Morris RL, Matschinsky FM, Corkey BE (1988) Cell-specific patterns of oscillating free Ca2+ in carbamylcholine-stimulated insulinoma cells. J Biol Chem 263:11044–11047
Robling AG, Burr DB, Turner CH (2000) Partitioning a daily mechanical stimulus into discrete loading bouts improves the osteogenic response to loading. J Bone Miner Res 15:1596–1602. doi:10.1359/jbmr.2000.15.8.1596
Rubin C, Turner AS, Bain S, Mallinckrodt C, McLeod K (2001) Anabolism. Low mechanical signals strengthen long bones. Nature 412:603–604. doi:10.1038/35088122
Ruiz-Ceretti E, DeLorenzi F, Lafond JS, Chartier D (1988) Insulin and the resting potential of hypoxic substrate-deprived myocardium. Can J Physiol Pharmacol 66:202–206
Schuster S, Marhl M, Hofer T (2002) Modelling of simple and complex calcium oscillations. From single-cell responses to intercellular signalling. Eur J Biochem/FEBS 269:1333–1355
Sun J, Liu X, Tong J, Sun L, Xu H, Shi L, Zhang J (2014) Fluid shear stress induces calcium transients in osteoblasts through depolarization of osteoblastic membrane. J Biomech 47:3903–3908. doi:10.1016/j.jbiomech.2014.10.003
Tay LH, Dick IE, Yang W, Mank M, Griesbeck O, Yue DT (2012) Nanodomain of Ca2+ of Ca2+ channels detected by a tethered genetically encoded Ca2+ sensor. Nat Commun 3:778
ten Tusscher KH, Noble D, Noble PJ, Panfilov AV (2004) A model for human ventricular tissue. Am J Physiol Heart Circ Physiol 286:H1573–1589. doi:10.1152/ajpheart.00794.2003
Thomas AP, Bird GS, Hajnoczky G, Robb-Gaspers LD, Putney JW Jr (1996) Spatial and temporal aspects of cellular calcium signaling. FASEB J 10:1505–1517
Toescu EC (1995) Temporal and spatial heterogeneities of Ca2+ signaling: mechanisms and physiological roles. Am J Physiol 269:G173–185
Wang J, Huang X, Huang W (2007) A quantitative kinetic model for ATP-induced intracellular Ca2+ oscillations. J Theor Biol 245:510–519. doi:10.1016/j.jtbi.2006.11.007
Wiesner TF, Berk BC, Nerem RM (1997) A mathematical model of the cytosolic-free calcium response in endothelial cells to fluid shear stress. Proc Natl Acad Sci USA 94:3726–3731
Wong AY, Klassen GA (1995) A model of electrical activity and cytosolic calcium dynamics in vascular endothelial cells in response to fluid shear stress. Ann Biomed Eng 23:822–832
You J, Jacobs CR, Steinberg TH, Donahue HJ (2002) P2Y purinoceptors are responsible for oscillatory fluid flow-induced intracellular calcium mobilization in osteoblastic cells. J Biol Chem 277:48724–48729. doi:10.1074/jbc.M209245200
You J, Reilly GC, Zhen X, Yellowley CE, Chen Q, Donahue HJ, Jacobs CR (2001) Osteopontin gene regulation by oscillatory fluid flow via intracellular calcium mobilization and activation of mitogen-activated protein kinase in MC3T3-E1 osteoblasts. J Biol Chem 276:13365–13371. doi:10.1074/jbc.M009846200