Механотрансдукция – это процесс преобразования механических стимулов в клеточный и молекулярный ответ. Другими словами – это механизм, с помощью которого механочувствительные клетки организма реагируют на нагрузку и преобразуют механические стимулы в биохимические клеточные реакции. Поэтому с помощью реабилитационных вмешательств (механических сигналов) через активацию определенных клеточных сигнальных путей возможно напрямую влиять на активацию генов, соответственно на пролиферацию (деление), дифференцировку, жизненный цикл и функционирование клеток.

Механотерапия – это «любое вмешательство, которое использует механические силы с целью изменения молекулярных путей и индукции клеточного ответа, усиливающего рост, моделирование, ремоделирование или восстановление тканей» [определение W.R. Thompson и соавт., 2016].

Почти все клетки организма так или иначе отвечают на механический стимул/стресс. Было идентифицировано множество типов клеток, способных воспринимать механические раздражители и реагировать на них: остеоциты, хондроциты, миобласты, фибробласты, кератиноциты и, что критически важно, – мезенхимальные стволовые клетки. Для реабилитации это имеет первостепенное значение, поскольку после травмы именно адекватная физическая нагрузка будет определять, как будет протекать пролиферация (деление/размножение) клеток и их дифференцировка (или/или/или). В зависимости от силы и длительности стимула будет зависеть, пойдет ли дифференцировка клеток по пути нейрогенеза, адипогенеза, хондрогенеза, миогенеза, фиброгенеза или остеогенеза. При неправильном лечении и реабилитации вместо мышечной ткани часто образуется жировая и фиброзная, вместо костной – хрящевая. Соответственно, с дальнейшим снижением функциональных возможностей поврежденного органа.

К механическим стимулам относятся: растяжение, сжатие, сдвиг, торсия (скручивание), гидростатическое давление, вибрация и движение жидкости параллельно клеточной мембране.

Для «считывания» сигналов в липидных слоях клеточных мембран располагаются различные типы механочувствительных рецепторов: ионные каналы, активируемые растяжением; интегрины; рецепторы факторов роста и рецепторы, связанные с G-белком.

Ионные каналы, активируемые растяжением, представляют собой трансмембранные белки, которые создают в клеточной мембране поры, достаточно большие для пропускания кальция и других катионов при их открытии. Механически вызванное натяжение/деформация мембраны способны открывать каналы, обеспечивая приток и отток ионов через клеточную мембрану в зависимости от внутреннего/внешнего градиента концентрации. Ионный баланс важен для многих клеточных функций и способствует жестко регулируемому электрическому потенциалу клеточной мембраны. Внутриклеточные концентрации кальция регулируют внутриклеточную передачу сигналов, полимеризацию актина (внутриклеточный механический сигналинг), ремоделирование цитоскелета и подвижность клеток.

Рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), представляют собой крупные белки с 7 трансмембранными доменами. Внеклеточная часть связывает многие эффекторные белки и молекулы, такие как факторы роста, воспалительные цитокины, нейропептиды и гормоны, создавая конформационные изменения в структуре белка. После активации цитозольная (внутренняя) часть рецептора взаимодействует с внутриклеточными G-белками, воздействуя на сигнальный каскад в соответствии со специфичностью сигнала. Эти рецепторы также могут активироваться механическими нагрузками на поверхности клетки, которые инициируют каскады вторичных мессенджеров внутри клетки.