Extracelulární matrix - Extracellular matrix

Extracelulární matrix
Extracelulární Matrix.png
Ilustrace zobrazující extracelulární matrix ( bazální membrána a intersticiální matrix) ve vztahu k epitelu , endotelu a pojivové tkáni
Podrobnosti
Identifikátory
latinský Matrix Extracellularis
Zkratka ECM
Pletivo D005109
TH H2.00.03.0.02001
Anatomické pojmy mikroanatomie

V biologii je extracelulární matrix ( ECM ) trojrozměrná síť skládající se z extracelulárních makromolekul a minerálů, jako je kolagen , enzymy , glykoproteiny a hydroxyapatit, které poskytují strukturální a biochemickou podporu okolním buňkám. Protože se mnohobuněčnost vyvinula nezávisle v různých mnohobuněčných liniích, složení ECM se mezi mnohobuněčnými strukturami liší; buněčná adheze, komunikace mezi buňkami a diferenciace jsou však běžnými funkcemi ECM.

Živočišná extracelulární matrice zahrnuje intersticiální matrici a bazální membránu . Intersticiální matrix je přítomna mezi různými živočišnými buňkami (tj. V mezibuněčných prostorech). Gely z polysacharidů a vláknitých proteinů vyplňují intersticiální prostor a působí jako kompresní pufr proti napětí vyvíjenému na ECM. Bazální membrány jsou depozity ECM podobné listům, na kterých spočívají různé epiteliální buňky. Každý typ pojivové tkáně u zvířat má typ ECM: kolagenová vlákna a kostní minerál obsahují ECM kostní tkáně ; retikulární vlákna a mletá látka obsahují ECM volné pojivové tkáně ; a krevní plazma je ECM krve .

Rostlinný ECM obsahuje kromě komplexnějších signálních molekul také komponenty buněčné stěny , jako je celulóza. Některé jednobuněčné organismy přijímají mnohobuněčné biofilmy, ve kterých jsou buňky uloženy v ECM složeném převážně z extracelulárních polymerních látek (EPS).

Struktura

1: Mikrovlákna 2: Fosfolipidová dvojvrstva 3: Integrin 4: Proteoglycan 5: Fibronektin 6: Kolagen 7: Elastin

Složky ECM jsou produkovány intracelulárně rezidentními buňkami a sekretovány do ECM prostřednictvím exocytózy . Jakmile jsou sekretovány, pak se agregují s existující maticí. ECM se skládá ze vzájemně propojené sítě vláknitých proteinů a glykosaminoglykanů (GAG).

Proteoglykany

Glykosaminoglykany (GAG) jsou uhlovodíkové polymery a většinou jsou připojeny k proteinům extracelulární matrice za vzniku proteoglykanů (kyselina hyaluronová je výraznou výjimkou; viz níže). Proteoglykany mají čistý záporný náboj, který přitahuje kladně nabité ionty sodíku (Na + ), které přitahují molekuly vody pomocí osmózy, čímž udržují ECM a rezidentní buňky hydratované. Proteoglykany mohou také pomoci zachytit a uložit růstové faktory v rámci ECM.

Níže jsou popsány různé typy proteoglykanů nacházejících se v extracelulární matrix.

Heparan sulfát

Heparan sulfát (HS) je lineární polysacharid nacházející se ve všech zvířecích tkáních. Vyskytuje se jako proteoglykan (PG), ve kterém jsou dva nebo tři řetězce HS připojeny v těsné blízkosti buněčného povrchu nebo proteinů ECM. Právě v této formě se HS váže na řadu proteinových ligandů a reguluje širokou škálu biologických aktivit, včetně vývojových procesů , angiogeneze , koagulace krve a nádorových metastáz .

V extracelulární matrix, zejména bazální membrány , v multi-domény proteinů perlecan , agrinu , a kolagenu XVIII jsou hlavními proteiny, k němuž je připojen heparansulfát.

Chondroitin sulfát

Chondroitin sulfáty přispívají k pevnosti chrupavek, šlach , vazů a stěn aorty v tahu . Bylo také známo, že ovlivňují neuroplasticitu .

Keratan sulfát

Keratansulfáty mají variabilní obsah síranů a na rozdíl od mnoha jiných GAG neobsahují kyselinu uronovou . Jsou přítomny v rohovky , chrupavek, kostí , a rohy pro zvířata .

Nechráněný polysacharid

Kyselina hyaluronová

Kyselina hyaluronová (nebo „hyaluronan“) je polysacharid skládající se ze střídajících se zbytků kyseliny D-glukuronové a N-acetylglukosaminu a na rozdíl od jiných GAG se nenachází jako proteoglykan. Kyselina hyaluronová v extracelulárním prostoru uděluje tkáním schopnost odolávat kompresi poskytováním síly působící proti turgoru (bobtnání) absorbováním významného množství vody. Kyselina hyaluronová se tak v ECM nosných kloubů nachází v hojné míře. Je také hlavní složkou intersticiálního gelu. Kyselina hyaluronová se nachází na vnitřním povrchu buněčné membrány a během biosyntézy je translokována z buňky.

Kyselina hyaluronová působí jako environmentální podnět, který reguluje chování buněk během embryonálního vývoje, hojivých procesů, zánětů a vývoje nádorů . Interaguje se specifickým transmembránovým receptorem, CD44 .

Bílkoviny

Kolagen

Kolageny jsou nejhojnějším proteinem v ECM. Ve skutečnosti je kolagen nejhojnějším proteinem v lidském těle a tvoří 90% obsahu proteinů kostní matrix. Kolageny jsou v ECM přítomny jako fibrilární proteiny a poskytují strukturální podporu rezidentním buňkám. Kolagen se exocytuje ve formě prekurzoru ( prokolagenu ), který se poté štěpí prokolagenovými proteázami, aby se umožnilo extracelulární sestavení. Poruchy, jako je syndrom Ehlers Danlos , osteogenesis imperfecta a epidermolysis bullosa, jsou spojeny s genetickými defekty v genech kódujících kolagen . Kolagen lze rozdělit do několika rodin podle typů struktury, které tvoří:

  1. Fibrilární (typ I, II, III, V, XI)
  2. Facit (Typ IX, XII, XIV)
  3. Krátký řetěz (Typ VIII, X)
  4. Bazální membrána (typ IV)
  5. Jiné (Typ VI, VII, XIII)

Elastin

Elastiny , na rozdíl od kolagenů, dodávají tkáním pružnost, což jim umožňuje v případě potřeby se natáhnout a poté se vrátit do původního stavu. To je užitečné v cévách , plicích , kůži a ligamentum nuchae a tyto tkáně obsahují velké množství elastinů. Elastiny jsou syntetizovány fibroblasty a buňkami hladkého svalstva . Elastiny jsou vysoce nerozpustné a tropoelastiny jsou vylučovány uvnitř chaperonové molekuly , která při kontaktu s vláknem zralého elastinu uvolňuje prekurzorovou molekulu. Tropoelastiny se poté deaminují, aby se začlenily do elastinového vlákna. Poruchy, jako je cutis laxa a Williamsův syndrom, jsou spojeny s nedostatkem nebo chybějícími elastinovými vlákny v ECM.

Extracelulární vezikuly

V roce 2016 Huleihel a kol., Hlásili přítomnost DNA, RNA a nanovesicles vázaných na matici (MBV) v biosvášlech ECM. Bylo zjištěno, že tvar a velikost MBV jsou v souladu s dříve popsanými exozomy . Náklad MBV zahrnuje různé molekuly bílkovin, lipidy, DNA, fragmenty a miRNA. Podobně jako u bioskopu ECM mohou MBV modifikovat aktivační stav makrofágů a měnit různé buněčné vlastnosti, jako je; proliferace, migrace a buněčný cyklus. O MBV se nyní věří, že jsou nedílnou a funkční klíčovou složkou bioskopu ECM.

Proteiny buněčné adheze

Fibronektin

Fibronektiny jsou glykoproteiny, které spojují buňky s kolagenovými vlákny v ECM a umožňují buňkám pohyb ECM. Fibronektiny vážou kolagen a integriny na povrchu buněk , což způsobuje reorganizaci buněčného cytoskeletu, aby se usnadnil pohyb buněk. Fibronektiny jsou vylučovány buňkami v rozvinuté, neaktivní formě. Vazba na integriny rozvíjí molekuly fibronektinu, což jim umožňuje vytvářet dimery , aby mohly správně fungovat. Fibronektiny také pomáhají v místě poranění tkáně vazbou na krevní destičky během srážení krve a usnadněním pohybu buněk do postižené oblasti během hojení ran.

Laminin

Lamininy jsou proteiny nacházející se v bazálních vrstvách prakticky všech zvířat. Lamininy místo vytváření vláken podobných kolagenu vytvářejí sítě struktur podobných pásům, které odolávají tahovým silám v bazální vrstvě. Pomáhají také při adhezi buněk. Lamininy vážou další složky ECM, jako jsou kolageny a nidogeny .

Rozvoj

Existuje mnoho buněčných typů, které přispívají k vývoji různých typů extracelulární matrice nacházející se v množství typů tkání. Místní složky ECM určují vlastnosti pojivové tkáně.

Fibroblasty jsou nejběžnějším typem buněk v ECM pojivové tkáně, ve kterých syntetizují, udržují a poskytují strukturální rámec; fibroblasty vylučují prekurzorové složky ECM, včetně základní látky . Chondrocyty se nacházejí v chrupavce a produkují chrupavčitou matrix. Osteoblasty jsou zodpovědné za tvorbu kostí.

Fyziologie

Tuhost a pružnost

ECM může existovat v různých stupních tuhosti a pružnosti , od měkkých mozkových tkání po tkáně tvrdých kostí. Pružnost ECM se může lišit o několik řádů. Tato vlastnost je primárně závislá na koncentracích kolagenu a elastinu a nedávno se ukázalo, že hraje významnou roli v regulaci mnoha buněčných funkcí.

Buňky mohou cítit mechanické vlastnosti svého prostředí působením sil a měřením výsledné vůle. To hraje důležitou roli, protože pomáhá regulovat mnoho důležitých buněčných procesů, včetně buněčné kontrakce, buněčné migrace , buněčné proliferace , diferenciace a buněčné smrti ( apoptóza ). Inhibice nesvalového myosinu II blokuje většinu těchto účinků, což naznačuje, že jsou skutečně svázány se snímáním mechanických vlastností ECM, což se v posledním desetiletí stalo novým zaměřením výzkumu.

Účinek na genovou expresi

Rozdílné mechanické vlastnosti v ECM mají účinky jak na chování buněk, tak na genovou expresi . I když mechanismus, kterým je toto provedeno nebylo podrobně vysvětleny, adhezních komplexů a aktin - myosin cytoskeletu , jehož kontraktilní síly jsou přenášeny přes transcelulární struktury zřejmě hrají klíčovou roli v dosud neobjevené molekulárních drah.

Vliv na diferenciaci

Elasticita ECM může řídit buněčnou diferenciaci , proces, při kterém se buňka mění z jednoho typu buňky na jiný. Zejména bylo ukázáno , že naivní mezenchymální kmenové buňky (MSC) specifikují linii a zavazují se k fenotypům s extrémní citlivostí na pružnost na úrovni tkáně. MSC umístěné na měkkých matic, které napodobují mozek diferencovat do nervových -Jako buněk, vykazujících podobný tvar, RNAi profily, cytoskeletálních markery, a transkripční faktor úrovně. Podobně tužší matrice, které napodobují svaly, jsou myogenní a matrice se ztuhlostí, které napodobují kolagenní kost, jsou osteogenní.

Durotaxis

Tuhost a pružnost také řídí migraci buněk , tento proces se nazývá durotaxis . Termín vymysleli Lo CM a kolegové, když objevili tendenci jednotlivých buněk migrovat do gradientů tuhosti (směrem k pevnějším substrátům) a od té doby byl rozsáhle studován. Předpokládá se, že molekulární mechanismy za durotaxí existují primárně ve fokální adhezi , velkém proteinovém komplexu, který funguje jako primární místo kontaktu mezi buňkou a ECM. Tento komplex obsahuje mnoho proteinů, které jsou nezbytné k durotaxis včetně strukturálních kotevních proteinů ( integriny ) a signálních proteinů (adhezní kináza ( FAK ), Talin , vinkulin , paxillin , α-aktinin , GTPázy atd.), Které způsobují změny tvaru buněk a actomyosin kontraktility . Předpokládá se, že tyto změny způsobují cytoskeletální přesmyky, aby se usnadnila směrová migrace .

Funkce

Díky své různorodé povaze a složení může ECM plnit mnoho funkcí, jako je poskytování podpory, oddělení tkání od sebe a regulace mezibuněčné komunikace. Extracelulární matrix reguluje dynamické chování buňky. Kromě toho sekvestruje širokou škálu buněčných růstových faktorů a funguje pro ně jako místní úložiště. Změny fyziologických podmínek mohou vyvolat aktivity proteázy, které způsobí lokální uvolnění takových zásob. To umožňuje rychlou a lokální aktivaci buněčných funkcí zprostředkovanou růstovým faktorem bez de novo syntézy.

Tvorba extracelulární matrix je nezbytná pro procesy jako růst, hojení ran a fibróza . Porozumění struktuře a složení ECM také pomáhá porozumět komplexní dynamice invaze tumoru a metastáz v biologii rakoviny, protože metastázy často zahrnují destrukci extracelulární matrix enzymy, jako jsou serinové proteázy , threoninové proteázy a matrix metaloproteinázy .

Tuhost a pružnost ECM má významné důsledky v migraci buněk , genové exprese a diferenciace . Buňky aktivně snímají tuhost ECM a migrují přednostně směrem k tužším povrchům ve jevu zvaném durotaxis . Zjišťují také pružnost a podle toho upravují svoji genovou expresi, která se kvůli vlivu na diferenciaci a progresi rakoviny stále více stává předmětem výzkumu.

V mozku, kde je hyaluronan hlavní složkou ECM, matice zobrazuje jak strukturální, tak signalizační vlastnosti. Vysokomolekulární hyaluronan působí jako difúzní bariéra, která může lokálně modulovat difúzi v extracelulárním prostoru. Po degradaci matrice se hyaluronanové fragmenty uvolňují do extracelulárního prostoru, kde fungují jako prozánětlivé molekuly a organizují reakci imunitních buněk, jako jsou mikroglie .

Buněčná adheze

Mnoho buněk se váže na složky extracelulární matrice. Buněčná adheze může nastat dvěma způsoby; o fokální adheze , spojující tuto zprávu ECM aktinových vláken buňky a hemidesmozom , spojující tuto zprávu ECM intermediálních filament, jako je keratin . Tato adheze buňky k ECM je regulována specifickými molekulami buněčné adheze buněčného povrchu (CAM) známými jako integriny . Integriny jsou proteiny na povrchu buněk, které vážou buňky na struktury ECM, jako je fibronektin a laminin, a také na proteiny integrinu na povrchu jiných buněk.

Fibronektiny se vážou na makromolekuly ECM a usnadňují jejich vazbu na transmembránové integriny. Připojení fibronektinu k extracelulární doméně iniciuje intracelulární signální dráhy a také asociaci s buněčným cytoskeletem prostřednictvím sady molekul adaptéru, jako je aktin .

Klinický význam

Bylo zjištěno, že extracelulární matrix způsobuje opětovný růst a hojení tkáně. Ačkoli mechanismus účinku, kterým extracelulární matrix podporuje konstruktivní remodelaci tkáně, je stále neznámý, vědci nyní věří, že nanovesikuly vázané na matici (MBV) jsou klíčovým hráčem v procesu hojení. U lidských plodů například extracelulární matrix spolupracuje s kmenovými buňkami na růstu a opětovném růstu všech částí lidského těla a plody mohou znovu růst vše, co se v děloze poškodí. Vědci již dlouho věří, že matice přestane fungovat po úplném vývoji. V minulosti byl využíván k pomoci koním při hojení natržených vazů, ale dále se zkoumá jako zařízení pro regeneraci tkání u lidí.

Pokud jde o opravy poranění a tkáňové inženýrství , extracelulární matrix slouží dvěma hlavním účelům. Za prvé, brání tomu, aby se imunitní systém spustil po zranění a reagoval zánětem a jizvou. Dále usnadňuje okolním buňkám opravu tkáně místo vytváření jizevnaté tkáně.

Pro lékařské aplikace se požadovaný ECM obvykle extrahuje z prasečích měchýřů , snadno přístupného a relativně nepoužívaného zdroje. V současné době se pravidelně používá k léčbě vředů uzavřením otvoru v tkáni, která lemuje žaludek, ale v současné době provádí mnoho univerzit i americká vláda další výzkum aplikací zraněných vojáků. Počátkem roku 2007 probíhalo testování na vojenské základně v Texasu. Vědci používají práškovou formu na veterány války v Iráku, jejichž ruce byly ve válce poškozeny.

Ne všechna zařízení ECM pocházejí z močového měchýře. Extracelulární matrix pocházející ze submukózy tenkého střeva prasat se používají k opravě „defektů síňového septa“ (ASD), „patent foramen ovale“ (PFO) a tříselné kýly . Po jednom roce je 95% kolagenové ECM v těchto náplastech nahrazeno normální měkkou srdeční tkání.

Proteiny extracelulární matrice se běžně používají v systémech buněčných kultur k udržování kmenových a prekurzorových buněk v nediferencovaném stavu během buněčné kultury a funkce k indukci diferenciace epiteliálních, endotelových a hladkých svalových buněk in vitro. Proteiny extracelulární matrice lze také použít k podpoře 3D buněčné kultury in vitro pro modelování vývoje nádoru.

Třída biomateriálů odvozených ze zpracování lidských nebo zvířecích tkání za účelem uchování částí extracelulární matrice se nazývá ECM Biomaterial .

V rostlinách

Rostlinné buňky jsou mozaikovány za vzniku tkání . Buněčná stěna je relativně tuhá konstrukce obklopující rostlinnou buňku . Buněčná stěna poskytuje boční pevnost odolávající osmotickému turgorovému tlaku , ale je dostatečně pružná, aby v případě potřeby umožňovala růst buněk; slouží také jako médium pro mezibuněčnou komunikaci. Buněčná stěna obsahuje vícenásobné laminátové vrstvy celulózových mikrofibril zality v matrici z glykoproteinů , včetně hemicelulózy , pektin , a extensin . Složky glykoproteinové matrice pomáhají buněčným stěnám sousedních rostlinných buněk vzájemně se vázat. Selektivní propustnost buněčné stěny se především řídí pektinů v glykoproteinu matrici. Plasmodesmata ( singulární : plazmodesma) jsou póry, které procházejí buněčnými stěnami sousedních rostlinných buněk. Tyto kanály jsou přísně regulovány a selektivně umožňují průchod molekul specifických velikostí mezi buňkami.

V Pluriformea ​​a Filozoa

Funkce extracelulární matrix zvířat (Metazoa) se vyvinula u společného předka Pluriformea a Filozoa poté, co se Ichthyosporea rozešla .

Dějiny

Význam extracelulární matrice je již dlouho uznáván (Lewis, 1922), ale použití tohoto termínu je novější (Gospodarowicz et al., 1979).

Viz také

Reference

Další čtení