В биологии внеклеточный матрикс ( ECM ) [1] [2] представляет собой сеть, состоящую из внеклеточных макромолекул и минералов, таких как коллаген , ферменты , гликопротеины и гидроксиапатит , которые обеспечивают структурную и биохимическую поддержку окружающим клеткам. [3] [4] [5] Поскольку многоклеточность развивалась независимо в разных многоклеточных линиях, состав ЕСМ варьируется в зависимости от многоклеточных структур; однако клеточная адгезия, межклеточная связь и дифференцировка являются общими функциями ECM. [6]
Внеклеточный матрикс животных включает интерстициальный матрикс и базальную мембрану . [7] Интерстициальный матрикс присутствует между различными клетками животных (т.е. в межклеточных пространствах). Гели полисахаридов и волокнистых белков заполняют интерстициальное пространство и действуют как буфер сжатия от нагрузки, оказываемой на внеклеточный матрикс. [8] Базальные мембраны представляют собой пластинчатые отложения внеклеточного матрикса, на которых покоятся различные эпителиальные клетки. Каждый тип соединительной ткани у животных имеет тип ВКМ: коллагеновые волокна и костный минерал составляют ВКМ костной ткани ; ретикулярные волокна и основное вещество составляют внеклеточный матрикс рыхлой соединительной ткани ; а плазма крови – это ЕСМ крови .
Растительный ЕСМ включает в себя компоненты клеточной стенки , такие как целлюлоза, в дополнение к более сложным сигнальным молекулам. [9] Некоторые одноклеточные организмы принимают многоклеточные биопленки , в которых клетки встроены в ЕСМ, состоящий в основном из внеклеточных полимерных веществ (ЭПС). [10]
Компоненты ЕСМ производятся внутриклеточно резидентными клетками и секретируются в ЕСМ посредством экзоцитоза . [11] После секреции они затем агрегируются с существующим матриксом. ЕСМ состоит из переплетенной сетки волокнистых белков и гликозаминогликанов (ГАГ).
Гликозаминогликаны (ГАГ) представляют собой углеводные полимеры и в основном присоединяются к белкам внеклеточного матрикса с образованием протеогликанов (заметным исключением является гиалуроновая кислота; см. ниже). Протеогликаны имеют суммарный отрицательный заряд, который притягивает положительно заряженные ионы натрия (Na + ), которые притягивают молекулы воды посредством осмоса, сохраняя гидратацию внеклеточного матрикса и резидентных клеток. Протеогликаны также могут помочь улавливать и хранить факторы роста в ЕСМ.
Ниже описаны различные типы протеогликана, обнаруженные во внеклеточном матриксе.
Гепарансульфат (HS) представляет собой линейный полисахарид , обнаруженный во всех тканях животных. Он встречается в виде протеогликана (PG), в котором две или три цепи HS прикреплены в непосредственной близости к поверхности клетки или белкам ЕСМ. [12] [13] Именно в этой форме HS связывается с различными белковыми лигандами и регулирует широкий спектр биологической активности, включая процессы развития , ангиогенез , свертывание крови и метастазирование опухоли .
Во внеклеточном матриксе, особенно в базальных мембранах , основными белками, к которым присоединен гепарансульфат, являются мультидоменные белки перлекан , агрин и коллаген XVIII .
Сульфаты хондроитина способствуют прочности хрящей, сухожилий , связок и стенок аорты . Также известно, что они влияют на нейропластичность . [14]
Кератансульфаты имеют различное содержание сульфатов и, в отличие от многих других ГАГ, не содержат уроновой кислоты . Они присутствуют в роговице , хрящах, костях и рогах животных .
Гиалуроновая кислота (или «гиалуронан») представляет собой полисахарид , состоящий из чередующихся остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина, и в отличие от других ГАГ не встречается в качестве протеогликана. Гиалуроновая кислота во внеклеточном пространстве придает тканям способность противостоять сжатию, обеспечивая противодействующую тургорную (набуханию) силу путем поглощения значительного количества воды. Таким образом, гиалуроновая кислота в изобилии обнаруживается в ЕСМ суставов, несущих нагрузку. Это также основной компонент интерстициального геля. Гиалуроновая кислота находится на внутренней поверхности клеточной мембраны и выводится из клетки во время биосинтеза. [15]
Гиалуроновая кислота действует как экологический сигнал, который регулирует поведение клеток во время эмбрионального развития, процессов заживления, воспаления и развития опухолей . Он взаимодействует со специфическим трансмембранным рецептором CD44 . [16]
Коллагены являются наиболее распространенным белком в ЕСМ. Фактически, коллаген является наиболее распространенным белком в организме человека [17] [18] и составляет 90% содержания белка костного матрикса. [19] Коллагены присутствуют в ЕСМ в виде фибриллярных белков и обеспечивают структурную поддержку резидентным клеткам. Коллаген экзоцитируется в форме предшественника ( проколлаген ), который затем расщепляется протеазами проколлагена , обеспечивая внеклеточную сборку. Такие заболевания, как синдром Элерса-Данлоса , несовершенный остеогенез и буллезный эпидермолиз, связаны с генетическими дефектами генов , кодирующих коллаген . [11] Коллаген можно разделить на несколько семейств в зависимости от типа образуемой им структуры:
Эластины , в отличие от коллагенов, придают тканям эластичность, позволяя им при необходимости растягиваться, а затем возвращаться в исходное состояние. Это полезно для кровеносных сосудов , легких , кожи и затылочных связок , поскольку эти ткани содержат большое количество эластина. Эластин синтезируется фибробластами и гладкомышечными клетками. Эластины очень нерастворимы, а тропоэластины секретируются внутри молекулы-шаперона , которая высвобождает молекулу-предшественник при контакте с волокном зрелого эластина. Затем тропоэластины дезаминируются и включаются в цепь эластина. Такие расстройства, как растяжение кожи и синдром Вильямса , связаны с дефицитом или отсутствием эластиновых волокон во внеклеточном матриксе. [11]
В 2016 году Хулейхель и др. Сообщили о присутствии ДНК, РНК и связанных с матриксом нановезикул (MBV) в биокаркасах ЕСМ. [20] Было обнаружено, что форма и размер MBV соответствуют ранее описанным экзосомам . Груз MBV включает в себя различные белковые молекулы, липиды, ДНК, фрагменты и микроРНК. Подобно биокаркасам ЕСМ, MBV могут изменять состояние активации макрофагов и изменять различные клеточные свойства, такие как; пролиферация, миграция и клеточный цикл. В настоящее время считается, что MBV являются неотъемлемым и функциональным ключевым компонентом биокаркасов ЕСМ.
Фибронектины представляют собой гликопротеины , которые соединяют клетки с коллагеновыми волокнами в ЕСМ, позволяя клеткам перемещаться через ЕСМ. Фибронектины связывают коллаген и интегрины клеточной поверхности , вызывая реорганизацию цитоскелета клетки для облегчения движения клеток. Фибронектины секретируются клетками в развернутой, неактивной форме. Связывание с интегринами разворачивает молекулы фибронектина, позволяя им образовывать димеры , чтобы они могли правильно функционировать. Фибронектины также помогают в месте повреждения тканей, связываясь с тромбоцитами во время свертывания крови и способствуя движению клеток к пораженному участку во время заживления ран. [11]
Ламинины — это белки, обнаруженные в базальных пластинках практически всех животных. Вместо того, чтобы формировать коллагеноподобные волокна, ламинины образуют сети паутинных структур, которые сопротивляются растягивающим силам в базальной пластинке. Они также способствуют адгезии клеток. Ламинины связывают другие компоненты ЕСМ, такие как коллагены и нидогены . [11]
Существует множество типов клеток, которые способствуют развитию различных типов внеклеточного матрикса, обнаруженного во множестве типов тканей. Местные компоненты ЕСМ определяют свойства соединительной ткани.
Фибробласты являются наиболее распространенным типом клеток в ЕСМ соединительной ткани, в котором они синтезируют, поддерживают и обеспечивают структурный каркас; фибробласты секретируют компоненты-предшественники ЕСМ, включая основное вещество . Хондроциты находятся в хряще и производят хрящевой матрикс. Остеобласты отвечают за формирование кости.
ЕСМ может существовать с различной степенью жесткости и эластичности : от мягких тканей головного мозга до твердых костных тканей. Эластичность ЭЦМ может отличаться на несколько порядков. Это свойство в первую очередь зависит от концентрации коллагена и эластина [4] , и недавно было показано, что оно играет важную роль в регуляции многочисленных клеточных функций.
Клетки могут ощущать механические свойства окружающей среды, применяя силы и измеряя возникающую в результате обратную реакцию. [21] Это играет важную роль, поскольку помогает регулировать многие важные клеточные процессы, включая сокращение клеток, [22] миграцию клеток , [23] пролиферацию клеток , [24] дифференцировку [25] и гибель клеток ( апоптоз ). [26] Ингибирование немышечного миозина II блокирует большинство этих эффектов, [25] [23] [22] что указывает на то, что они действительно связаны с восприятием механических свойств ЕСМ, что стало новым направлением исследований в течение последнего десятилетия. .
Различные механические свойства ЕСМ оказывают влияние как на поведение клеток, так и на экспрессию генов . [27] Хотя механизм, с помощью которого это происходит, до конца не объяснен, считается, что адгезионные комплексы и актин - миозиновый цитоскелет , чьи сократительные силы передаются через трансклеточные структуры, играют ключевые роли в еще не открытых молекулярных путях. [22]
Эластичность ЕСМ может направлять клеточную дифференциацию — процесс, посредством которого клетка переходит от одного типа клеток к другому. В частности, было показано, что наивные мезенхимальные стволовые клетки (МСК) определяют происхождение и соответствуют фенотипам с чрезвычайной чувствительностью к эластичности на уровне ткани. МСК, помещенные на мягкие матрицы, имитирующие мозг, дифференцируются в нейроноподобные клетки, демонстрируя сходную форму, профили РНКи , цитоскелетные маркеры и уровни транскрипционных факторов . Аналогично, более жесткие матрицы, имитирующие мышцы, являются миогенными, а матрицы с жесткостью, имитирующие коллагеновую кость, - остеогенными. [25]
Жесткость и эластичность также управляют миграцией клеток , этот процесс называется дуротаксисом . Этот термин был придуман Ло CM и его коллегами, когда они обнаружили тенденцию отдельных клеток мигрировать вверх по градиенту жесткости (в сторону более жестких субстратов) [23] и с тех пор широко изучается. Считается, что молекулярные механизмы, лежащие в основе дуротаксиса, существуют в первую очередь в фокальной адгезии , большом белковом комплексе , который действует как основное место контакта между клеткой и внеклеточным матриксом. [28] Этот комплекс содержит множество белков, которые необходимы для дуротаксиса, включая структурные белки якоря ( интегрин ) и сигнальные белки (киназы адгезии ( FAK ), талин , винкулин , паксиллин , α-актинин , GTPases и т. д.), которые вызывают изменения формы клеток. и сократимость актомиозина. [29] Считается, что эти изменения вызывают перестройки цитоскелета , способствующие направленной миграции .
Благодаря своей разнообразной природе и составу ЕСМ может выполнять множество функций, таких как обеспечение поддержки, отделение тканей друг от друга и регулирование межклеточной коммуникации. Внеклеточный матрикс регулирует динамическое поведение клетки. Кроме того, он связывает широкий спектр клеточных факторов роста и действует как локальное хранилище для них. [7] Изменения физиологических условий могут вызвать активность протеаз , которая вызывает локальное высвобождение таких запасов. Это обеспечивает быструю и локальную активацию клеточных функций, опосредованную фактором роста, без синтеза de novo .
Формирование внеклеточного матрикса имеет важное значение для таких процессов, как рост, заживление ран и фиброз . Понимание структуры и состава ЕСМ также помогает понять сложную динамику опухолевой инвазии и метастазирования в биологии рака, поскольку метастазы часто включают разрушение внеклеточного матрикса ферментами, такими как сериновые протеазы , треониновые протеазы и матриксные металлопротеиназы . [7] [30]
Жесткость и эластичность ЕСМ имеет важное значение для миграции клеток , экспрессии генов [31 ] и дифференцировки . [25] Клетки активно ощущают жесткость ЕСМ и мигрируют преимущественно к более жестким поверхностям в результате явления, называемого дуротаксис . [23] Они также обнаруживают эластичность и соответствующим образом корректируют экспрессию своих генов, что все чаще становится предметом исследований из-за ее влияния на дифференцировку и прогрессирование рака. [32]
В мозге, где гиалуронан является основным компонентом ЕСМ, матрица проявляет как структурные, так и сигнальные свойства. Высокомолекулярный гиалуронан действует как диффузионный барьер, который может локально модулировать диффузию во внеклеточном пространстве. При деградации матрикса фрагменты гиалуроновой кислоты высвобождаются во внеклеточное пространство, где они действуют как провоспалительные молекулы, управляя ответом иммунных клеток, таких как микроглия . [33]
Многие клетки связываются с компонентами внеклеточного матрикса. Клеточная адгезия может происходить двумя способами; посредством фокальных спаек , соединяющих ЕСМ с актиновыми нитями клетки, и гемидесмосом , соединяющих ЕСМ с промежуточными нитями, такими как кератин . Адгезия клетки к ЕСМ регулируется специфическими молекулами клеточной адгезии на клеточной поверхности (САМ), известными как интегрины . Интегрины представляют собой белки клеточной поверхности, которые связывают клетки со структурами ЕСМ, такими как фибронектин и ламинин, а также с белками интегринов на поверхности других клеток.
Фибронектины связываются с макромолекулами ЕСМ и облегчают их связывание с трансмембранными интегринами. Присоединение фибронектина к внеклеточному домену инициирует внутриклеточные сигнальные пути, а также ассоциацию с клеточным цитоскелетом через набор адаптерных молекул, таких как актин . [8]
Было обнаружено, что внеклеточный матрикс вызывает возобновление роста и заживление тканей. Хотя механизм действия, посредством которого внеклеточный матрикс способствует конструктивному ремоделированию ткани, до сих пор неизвестен, исследователи теперь полагают, что связанные с матриксом нановезикулы (MBV) играют ключевую роль в процессе заживления. [20] [34] Например, у человеческого плода внеклеточный матрикс работает со стволовыми клетками, обеспечивая рост и восстановление всех частей человеческого тела, а плод может вырастить все, что было повреждено в утробе матери. Ученые давно считали, что матрица перестает функционировать после полного развития. В прошлом его использовали, чтобы помочь лошадям залечить порванные связки, но в настоящее время его исследуют как устройство для регенерации тканей у людей. [35]
С точки зрения восстановления травм и тканевой инженерии внеклеточный матрикс служит двум основным целям. Во-первых, он предотвращает срабатывание иммунной системы в результате травмы и ответную реакцию воспалением и образованием рубцовой ткани. Затем он помогает окружающим клеткам восстанавливать ткань вместо образования рубцовой ткани. [35]
Для медицинских целей необходимый ЕСМ обычно извлекается из мочевого пузыря свиней — легкодоступного и относительно неиспользуемого источника. В настоящее время его регулярно используют для лечения язв путем закрытия отверстия в ткани, выстилающей желудок, но в настоящее время многие университеты, а также правительство США проводят дальнейшие исследования по применению этого препарата для раненых солдат. По состоянию на начало 2007 года испытания проводились на военной базе в Техасе. Ученые используют порошкообразную форму для ветеранов войны в Ираке, чьи руки были повреждены на войне. [36]
Не все устройства ЕСМ происходят из мочевого пузыря. Внеклеточный матрикс, полученный из подслизистой оболочки тонкой кишки свиньи, используется для лечения «дефектов межпредсердной перегородки» (ДМПП), «открытого овального окна» (ПФО) и паховой грыжи . Через год 95% коллагенового ЕСМ в этих пластырях было заменено нормальными мягкими тканями сердца. [37]
Белки внеклеточного матрикса обычно используются в системах клеточных культур для поддержания стволовых клеток и клеток-предшественников в недифференцированном состоянии во время клеточной культуры и действуют, индуцируя дифференцировку эпителиальных, эндотелиальных и гладкомышечных клеток in vitro. Белки внеклеточного матрикса также можно использовать для поддержки 3D-культуры клеток in vitro для моделирования развития опухоли. [38]
Класс биоматериалов, полученных в результате обработки тканей человека или животных для сохранения частей внеклеточного матрикса, называется биоматериалом ЕСМ .
Растительные клетки мозаично образуют ткани . Клеточная стенка представляет собой относительно жесткую структуру, окружающую растительную клетку . Клеточная стенка обеспечивает боковую прочность, чтобы противостоять осмотическому тургорному давлению , но она достаточно гибкая, чтобы при необходимости обеспечить рост клеток; он также служит средой для межклеточной коммуникации. Клеточная стенка состоит из нескольких слоев ламината из целлюлозных микрофибрилл , встроенных в матрицу гликопротеинов , включая гемицеллюлозу , пектин и экстенсин . Компоненты гликопротеинового матрикса помогают клеточным стенкам соседних растительных клеток связываться друг с другом. Избирательная проницаемость клеточной стенки определяется главным образом пектинами в гликопротеиновом матриксе. Плазмодесмы ( единственное число : плазмодесма) — это поры, которые пересекают клеточные стенки соседних растительных клеток. Эти каналы жестко регулируются и избирательно позволяют молекулам определенного размера проходить между клетками. [15]
Функциональность внеклеточного матрикса животных (Metazoa) развилась у общего предка Pluriformea и Filozoa после дивергенции Ichthyosporea . [39]
Важность внеклеточного матрикса давно признана (Lewis, 1922), но этот термин стал использоваться сравнительно недавно (Gospodarowicz et al., 1979). [40] [41] [42] [43]
Почти прозрачная коллагеновая матрица состоит из очищенного с медицинской точки зрения кишечника свиньи, который расщепляется клетками-мусорщиками (макрофагами) иммунной системы.
Примерно через год коллаген почти полностью (90-95%) заменяется нормальной тканью организма: остается только крошечный металлический каркас.
Полностью рассасывающийся имплантат в настоящее время находится в стадии разработки.