Es soll herausgearbeitet werden, wie mechanische Krafteinwirkung, der der gesamte Organismus ausgesetzt ist, auf individuelle Zellen fortgeleitet und in eine biomechanische Reaktion umgewandelt wird.
Es werden fundamentale Aufbauprinzipien beschrieben, die der Stabilisierung des muskuloskelettalen Systems in vielen Größenordnungen dienen, und es soll gezeigt werden, dass diese Kon-struktionsmerkmale in einer bestimmten Architekturform verankert sind, die als Tensegrity bekannt ist.
Tensegrity-Strukturen sind durch kontinuierliche Zugkräfte und lokale Kompression gekennzeichnet; Architektur, Vorspannung (interne Krafteinwirkung vor Anlage einer externen Kraft) und Triangulierung spielen für die Bestimmung der mechanischen Stabilität die entscheidende Rolle. In lebenden Organismen wird mittels einer Hierarchie von Tensegrity-Netzwerken sowohl die strukturelle Effizienz optimiert als auch ein Mechanismus bereitgestellt, um die Teile mit dem Ganzen zu verknüpfen: Mechanische Krafteinwirkung auf der Makroebene resultiert in strukturellen Neuanordnungen auf zellulärer und molekularer Ebene.
Aufgrund der Tensegrity-Architektur wird mechanische Krafteinwirkung auf signalumwandelnde Moleküle konzentriert und umgewandelt, die physikalisch mit Zelloberflächenmolekülen, welche Zellen an der extrazellulären Matrix verankern – z.B. Integrine – sowie mit Last tragenden Elementen im inneren Zellskelett und Nukleus assoziiert sind. Die mechanochemische Umwandlung könnte demnach über lokale, spannungsabhängige Veränderungen der molekularen Mechanik, Thermodynamik und Kinetik innerhalb der Zelle ablaufen. Auf diese Weise könnte die gesamte zelluläre Reaktion auf die Krafteinwirkung durch Abänderung der Vorspannung in der Zelle orchestriert und abgestimmt werden, so wie auch eine Veränderung des Muskeltonus die mechanische Stabilität und strukturelle Koordination im gesamten muskuloskelettalen System verändern kann.
To elucidate how mechanical stresses that are applied to the whole organism are transmitted to individual cells and transduced into a biochemical response.
In this article, we describe fundamental design principles that are used to stabilize the musculoskeletal system at many different size scales and show that these design features are embodied in one particular form of architecture that is known as tensegrity.
Tensegrity structures are characterized by use of continuous tension and local compression; architecture, prestress (internal stress prior to application of external force), and triangulation play the most critical roles in terms of determining their mechanical stability. In living organisms, use of a hierarchy of tensegrity networks both optimizes structural efficiency and provides a mechanism to mechanically couple the parts with the whole: mechanical stresses applied at the macroscale result in structural rearrangements at the cell and molecular level.
Due to use of tensegrity architecture, mechanical stress is concentrated and focused on signal transducing molecules that physically associate with cell surface molecules that anchor cells to extracellular matrix, such as integrins, and with load-bearing elements within the internal cytoskeleton and nucleus. Mechanochemical transduction may then proceed through local stress-dependent changes in molecular mechanics, thermodynamics, and kinetics within the cell. In this manner, the entire cellular response to stress may be orchestrated and tuned by altering the prestress in the cell, just as changing muscular tone can alter mechanical stability and structural coordination throughout the whole musculoskeletal system.
