Extracelulární matrix - Extracellular matrix
Extracelulární matrix | |
---|---|
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
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:
- Fibrilární (typ I, II, III, V, XI)
- Facit (Typ IX, XII, XIV)
- Krátký řetěz (Typ VIII, X)
- Bazální membrána (typ IV)
- 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
- Extracelulární matrix: přehled jeho rolí v akutních a chronických ranách
- Využití extracelulární matrice od prasat k opětovnému růstu lidských končetin
- Zvuková medicína - Regenerace tkáně srdce - 19. července rozhovor diskutující o ECM a jeho použití při opravě srdeční tkáně (vyžaduje přehrávání MP3).