A nanociência fornece a ponte conceitual e tecnológica necessária para unificar as perspectivas físicas e biológicas na mecanobiologia.
A mecanobiologia é um campo interdisciplinar que integra princípios da biologia, física e engenharia para caracterizar como as forças mecânicas regulam os sistemas biológicos em escalas, desde interações moleculares até a função de tecidos e órgãos. Ele se concentra no estabelecimento de relações causais entre forças físicas e respostas biológicas, incluindo o suggestions recíproco pelo qual as células percebem, transduzem e remodelam ativamente seu ambiente.1,2. Esses insights sustentam estratégias emergentes de mecanomedicina que visam atingir vias de mecanotransdução aberrantes para diagnósticos e intervenções terapêuticas3,4.
Crédito: BSIP SA/Alamy Inventory Picture
No entanto, os processos mecanobiológicos vitais que operam nos regimes de molécula única e em nanoescala são difíceis de acessar experimentalmente com alta resolução espacial e temporal. Para tanto, a microscopia de força atômica (AFM)5 e óptico6 e pinças magnéticas7 têm sido as ferramentas padrão para mecanobiólogos. Embora estes ofereçam sensibilidade ao regime de molécula única, falta-lhes rendimento. Nanosensores avançados (por exemplo, nanomateriais responsivos à força baseados em nanotecnologia de DNA8) foram desenvolvidos para detectar forças em escala de piconewton, deformações moleculares e alterações viscoelásticas locais em tempo actual, fornecendo leituras altamente localizadas e não invasivas de sinais mecânicos. Combinadas com a microscopia de tremendous resolução, essas abordagens permitiram o mapeamento da organização estrutural e da heterogeneidade mecânica entre conjuntos biológicos hierárquicos envolvidos na mecanotransdução.
Embora a nanociência forneça essas ferramentas de precisão e as abordagens reducionistas tenham produzido insights fundamentais sobre os processos mecanobiológicos, a fragmentação dessas ferramentas continua sendo uma limitação importante para modelos mecanobiológicos preditivos e fisiologicamente relevantes. Por exemplo, medições de AFM, pinças ópticas e sondas baseadas em fluorescência em diferentes laboratórios muitas vezes não são diretamente comparáveis, devido a diferenças na calibração, resolução temporal e condições ambientais. Assim, o campo ainda carece de estruturas padronizadas capazes de quantificar, comparar e reconciliar de forma confiável dados de diversos métodos utilizados por mecanobiólogos, como Kasuba et al. argumentar em um Perspectiva nesta questão. Além disso, as técnicas atuais são limitadas em sua capacidade de capturar todo o espectro espaço-temporal de sinais mecânicos, especialmente em amplas faixas temporais e em ambientes realistas e heterogêneos, como tecidos e organoides. Este gargalo também limita a interpretação clínica de biomarcadores mecânicos.
As estruturas teóricas e computacionais permanecem insuficientes para descrever completamente o comportamento de desequilíbrio dos sistemas biológicos. O progresso requer a integração de conjuntos de dados mecânicos, moleculares e de imagem multiplexados com abordagens assistidas por aprendizado de máquina/inteligência synthetic. Assim, será imperativo incorporar uma estrutura de mecanobiologia de sistemas para alcançar resultados translacionais tangíveis.
Um desafio tecnológico interessante para o campo a partir de uma perspectiva em nanoescala é o desenvolvimento de nanodispositivos multifuncionais de circuito fechado que combinam detecção de força, atuação e suggestions em tempo actual para sondar dinamicamente caminhos de mecanotransdução. Ao imitar o suggestions pure, onde as células detectam sinais mecânicos, processam-nos e adaptam o seu comportamento, estes sistemas vão além da medição passiva para um controlo espaço-temporal preciso dos processos biológicos. Esta capacidade é crítica para estabelecer ligações causais entre forças e respostas celulares através de perturbações controladas e reversíveis. Esses nanodispositivos de circuito fechado são muito promissores, desde a descoberta de princípios fundamentais da mecanobiologia9 para permitir terapias adaptativas, como a administração de medicamentos responsivos a estímulos10. No entanto, desafios como a integração de detecção e atuação, garantia de biocompatibilidade e obtenção de fabricação escalável precisam ser superados.
No Nanotecnologia da Naturezaacreditamos que a nanociência faz mais do que fornecer ferramentas para a mecanobiologia; remodela a forma como o campo concebe e interroga os sistemas biológicos. A nível conceptual, fornece uma linguagem comum que utiliza abordagens interdisciplinares para descrever processos que eram tradicionalmente enquadrados em termos puramente bioquímicos. Esta mudança permite que a mecanobiologia vá além da correlação em direção a modelos causais quantitativos nos quais os insumos mecânicos e os resultados biológicos estão ligados através de parâmetros mensuráveis. Neste sentido, a nanociência ainda não é uma ponte totalmente realizada, mas uma interface em evolução que pode ajudar a unificar as perspectivas físicas e biológicas na mecanobiologia. No futuro, estamos empenhados em seguir inovações que unam escalas, desde moléculas até tecidos, ao mesmo tempo que permitem conhecimentos mecanobiológicos precisos, quantitativos e clinicamente relevantes.