Տեղեկատվություն

Ինչպե՞ս պատկերացնել ECM-ը:


Մասնավորապես, ես կցանկանայի դիտարկել HA (հիալուրոնաթթու) արտադրության փոփոխությունները: Ամենից հաճախ դուք տեսնում եք միայն այն մարդկանց, ովքեր ներկում են բջջի մակերեսը կամ հեռացնում են բջիջները կուլտուրից՝ ամրագրման և այնուհետև պատկերազարդման համար: Որևէ մեկը գիտի՞, թե ինչպես վերլուծել ECM-ը (արտբջջային մատրիցը) և պրոտեոգլիկանները, որոնք շրջապատում են բջիջը, եթե ցանկանում եք տեսնել, թե արդյոք որևէ պայման կարող է փոխել բջիջի կողմից իր ECM-ը վերափոխելու ձևը: Հնարավո՞ր է դա նույնիսկ որոշ լյումինեսցենտային պիտակներով:


ECM-ի տարբեր բաղադրիչները կարող են տարբեր կերպ ներկվել, բայց քանի որ դուք հարցրել եք հիալուրոնաթթվի (HA) մասին, ես իմ պատասխանը կսահմանափակեմ դրա ներկումով:

Տես այս թուղթը։ Նրանք օգտագործում են Hyaluran Binding Protein (HABP) որպես HA-ի հատուկ զոնդ:

Քանի որ HA-ն ունի շատ պարզ, պահպանված բաղադրություն և ամենուր արտահայտված է բոլոր կենդանիների մոտ, որոնք ունեն զարգացած իմունային պատասխան, HA-ն իմունոգեն չէ: Հետևաբար, չկան հակամարմիններ, որոնք հատուկ ճանաչեն ՀԱ-ն, և ՀԱ-ի հայտնաբերման ավանդական իմունոհիստոքիմիական մեթոդները հնարավոր չեն: Բարեբախտաբար, շատ սպեցիֆիկ և ամուր կապող սպիտակուց՝ հիալուրոնային կապող սպիտակուցը (HABP), որը կազմված է HA կապող տիրույթից ագրրեկանից կապող մոդուլով, մեկուսացվեց (Hascall and Heinegård 1974; Tengblad 1979) և հարմարեցվեց որպես HA զոնդ: (Ripellino et al. 1985): HABP-ն այժմ լայնորեն կիրառվում է HA-ի հատուկ հայտնաբերման համար:

Biotin հատկորոշված ​​HABP-ն կարող է օգտագործվել IHC-ի վրա հիմնված վիզուալիզացիայի ընթացակարգերի համար:


Junqueira-ի և Carneiro-ի «Հիմնական հյուսվածաբանություն» գիրքը ընդունում է գետնի նյութի հիստոլոգիական ամրագրման խնդիրը: Նրանք խորհուրդ են տալիս սառեցված չորացնել հեղուկ ազոտի մեջ, այնուհետև հեռացնել ջուրը բարձր վակուումով -30 Ցելսիուս ջերմաստիճանում, ինչը կառաջացնի սուբլիմացիա (սառույց-->գոլորշի): Այնուհետև նմուշը ամրացնելով ոչ բևեռային լուծիչով: Այնուհետև կարող եք օգտագործել բծեր, ինչպիսիք են PAS technic-ը:

Ես երբեք սա չեմ արել, ես պարզապես պատճենում եմ գրքից: Եթե ​​դուք արդեն ունեք հեղուկ ազոտ, բարձր վակուում և PAS ձեր լաբորատորիայում, սա կարող է ավելի էժան լինել, քան HABP-ը:


Արտաբջջային մատրիցայի կարծրություն. պրոստագլանդինների կարգավորիչ թոքային ֆիբրոզում:

Արտաբջջային մատրիցային (ECM) սպիտակուցների շեղված նստվածքը իդիոպաթիկ թոքային ֆիբրոզի (IPF) բնորոշ նշանն է (1): Ակտիվացված թոքերի ֆիբրոբլաստները, որոնք բնութագրվում են α-SMA (α-հարթ մկանային ակտին) կամ PDGFRα (թրոմբոցիտներից ստացված աճի գործոնի α ընկալիչով), հանդիսանում են ECM-ի արտադրության հիմնական աղբյուրը (2): ECM սպիտակուցների նստեցումը և խաչաձեւ կապը հանգեցնում են ECM-ի խստացման: Իրոք, թոքերի բիոմեխանիկական հատկությունները կտրուկ փոխվում են IPF-ում, և Յանգի մոդուլը, որպես կոշտության չափման չափ, տատանվում է 0,5-ից 10 կՊա նորմալ արժեքներով տարածքներից (նման թոքերի հյուսվածքի նորմալ արժեքներին) մինչև 50-ից 100 կՊա ծայրահեղությունների միջև ընկած ծայրահեղությունները: ֆիբրոտիկ տարածքներ (3, 4):

Մինչև վերջերս ենթադրվում էր, որ մատրիցային խստացումը արդյունք է վերջնական փուլի ֆիբրոտիկ վերափոխման գործընթացների: Այնուամենայնիվ, աճող ապացույցները ցույց են տալիս, որ ECM խստացման փոփոխությունները կարող են ակտիվորեն նպաստել, տարածել և նույնիսկ սկսել հիվանդությունը (5): Իրոք, միայն մատրիցի կոշտության ավելացումը բավարար է ֆիբրոբլաստների ակտիվացում և կոլագենի սեկրեցիա առաջացնելու համար (6), և, իր հերթին, փափուկ մատրիցը կարող է հակադարձել ֆիբրոբլաստների ակտիվացումը (7): Հետևաբար, ECM-ի և նրա բիոմեխանիկայի թիրախավորումը առաջացել է որպես նոր խոստումնալից հայեցակարգ ապագա IPF-ի բուժման համար: Երկար ժամանակ IPF-ի բուժման ոչ մի տարբերակ հասանելի չէր, և շատ հավանական թեկնածուներ ձախողվեցին կլինիկական փորձարկումները: Միայն վերջերս երկու հակաֆիբրոտիկ դեղամիջոցներ՝ նինտեդանիբը և պիրֆենիդոնը, հաջողությամբ դանդաղեցնում են հիվանդության առաջընթացը (8): Այնուամենայնիվ, դեռևս անհրաժեշտ են լրացուցիչ հակադարձ վերափոխման և հակաֆիբրոտիկ մոտեցումներ՝ ոչ միայն դանդաղեցնելու, այլև հիվանդության առաջընթացը դադարեցնելու համար: Այսպիսով, թիրախավորման մատրիցային խստացումը մեծ խոստումնալից է:

Այս հարցը Ամսագիր պարունակում է Բերհանի և գործընկերների ուսումնասիրությունը (էջ 819–830), որը ցույց է տալիս, թե ինչպես է մատրիցայի կոշտությունը խանգարում պրոստագլանդինի (PG) E-ի բազմաթիվ քայլերին։2 արտադրությունը մարդու թոքերի ֆիբրոբլաստներում (9): Այդ համատեքստում պրոստագլանդինների հետազոտությունն իսկապես խոստումնալից է, քանի որ այդ ընտանիքի շատ անդամներ ցուցաբերում են հակաֆիբրոտիկ ակտիվություն, և մշակվել են մի քանի բարձր սպեցիֆիկ ընկալիչների ագոնիստներ/անտագոնիստներ՝ կլինիկական օգտագործման պոտենցիալով (NCT00296556): Բոլոր PG-ները ստացվում են PGH պրեկուրսորից2 միջոցով arachidonic և COX (cyclooxygenase) ուղին: Վերջնական սինթետիկ ֆերմենտները այնուհետև փոխակերպում են PGH2 կենսաակտիվ անհատական ​​պրոստագլանդիններին, մասնավորապես՝ ՊԳԻ-ին2 (պրոստացիկլին), PGF, PGD2և PGE2. Ի թիվս ընտանիքի այլ անդամների, PGE2 ունի ուժեղ հակաֆիբրոտիկ և հակաբորբոքային ազդեցություն, որը հիմնականում միջնորդվում է նրա EP2 և EP4 (E-տիպի պրոստանոիդ ընկալիչները 2 և 4) (10):

Այնուամենայնիվ, բազմաթիվ ուսումնասիրություններ ցույց են տալիս, որ PGE-ի ֆիզիոլոգիական տեղական հակաֆիբրոտիկ ազդեցությունը2 սահմանափակվում է թոքային ֆիբրոզով, որպես PGE2 կոնցենտրացիաները BAL-ում ավելի ցածր են IPF-ով հիվանդների մոտ (11): PGE-ի նվազման պատճառները2 կոնցենտրացիաները դեռ լիովին չեն հասկացվել և, հավանաբար, բազմագործոնային են: Հետևաբար, մեծ ջանքեր են գործադրվել PG-ի արտադրության հիմնական ֆերմենտների՝ COX-1-ի և COX-2-ի ուսումնասիրության համար: Այստեղ հավաքված տվյալները մնացին անորոշ՝ սկսած թոքերի պարենխիմում (12) մՌՆԹ-ի և սպիտակուցի կոնցենտրացիայի նվազումից և թոքերի ֆիբրոբլաստների մեկուսացված IPF-ից (13) մինչև ֆիբրոտիկ օջախներում (14) կոնցենտրացիաների ավելացում, հետևաբար դեռևս լիովին չի բացատրում PGE-ի նվազումը:2 կոնցենտրացիաները IPF-ում: Սա տեղ է թողնում PGE-ի ավելի մանրամասն հետաքննության համար2 արտադրություն և դեգրադացիա։ Իրոք, ավելացել է PGE-ի արտահայտումը2- դեգրադացնող ֆերմենտ 15-PGDH-ը հայտնաբերվում է ֆիբրոտիկ թոքերի մի քանի հատվածներում (15), և մատրիցային կոշտության բարձրացումը հետագայում սահմանափակում է PGE-ն:2 արտադրություն և սեկրեցիա (16). Այնուամենայնիվ, մինչ այժմ, PGE-ի տերմինալ ֆերմենտի ուսումնասիրությունը2 արտադրությունը՝ PTGES (պրոստագլանդին E սինթազա), բացակայում էր, քանի դեռ Բերհանը և գործընկերները առաջինը չէին հայտնաբերել PTGES-ի կոնցենտրացիաների նվազում IPF թոքերում:

Մի առատությամբ արհեստական ​​պայմաններում փորձեր՝ օգտագործելով մարդու թոքերի ֆիբրոբլաստները, նրանք լայնորեն և համակողմանիորեն ուսումնասիրեցին, թե ինչպես են բոլոր խաղացողները ներգրավված PGE-ում2 արտադրությունը արձագանքում է փափուկ և կոշտ միջավայրերին: Նրանք ձեռնարկեցին բարդ արհեստական ​​պայմաններում թոքերի ֆիբրոբլաստների համար առողջ (փափուկ) և հիվանդ (կոշտ) միջավայրի պայմանները ընդօրինակելու համար՝ օգտագործելով երկչափ (2D) պլաստիկ, փափուկ մատրիցա (cytosoft և hydrogel) և եռաչափ (3D) փափուկ գնդաձև մշակույթ՝ բոլորը միասին ուսումնասիրելով կոշտությունը: տատանվում է ~3 ԳՊա-ից մինչև 0,4 կՊա: Առաջին անգամ հեղինակները հայտնաբերել են PGE-ի վերջնական ֆերմենտի կոնցենտրացիաների նվազում2 արտադրություն (PTGES) IPF-ով հիվանդների մոտ: Նրանք մոլեկուլային մեխանիզմ են ապահովում իրենց գտածոյի հետևում՝ ցույց տալով, որ կոշտ մատրիցը նվազեցնում է PTGES արտահայտությունը, մինչդեռ փափուկ 3D կուլտուրայի պայմանները դրդել և փրկել են դրա արտահայտությունն ու ակտիվությունը ոչ IPF ֆիբրոբլաստներում և լրացուցիչ արախիդոնաթթվի հավելումներով՝ IPF ֆիբրոբլաստներում: Հեղինակները հաստատել են COX-2 արտահայտության և PGE-ի կոշտության վրա հիմնված ճնշումը2 սեկրեցիա (16) և փակեց ցիկլը PGE-ի լրացուցիչ հետազոտությամբ2 ընկալիչներ, որոնք նույնացնում են հակաֆիբրոտիկ EP4 ընկալիչի ավելի ցածր արտահայտությունը կոշտ պարամետրերում, համեմատած փափուկ պարամետրերի հետ (Նկար 1):

Գծապատկեր 1: PGE2 (պրոստագլանդին E2Մարդու թոքերի ֆիբրոբլաստների սինթեզը կախված է նրա շրջապատող արտաբջջային մատրիցի բիոմեխանիկական հատկություններից։ Երկչափ և եռաչափ փափուկ մատրիցային պայմանները մեծացրել են PGE-ի կոնցենտրացիաները2, որն ուղեկցվում էր cPLA-ի արտահայտման ավելացմամբ2 (ցիտոզոլային ֆոսֆոլիպազ A2), COX (ցիկլօքսիգենազա) իզոֆորմներ և վերջնական ֆերմենտ՝ PTGES (PGE)2 սինթազա): 3D = եռաչափ EP4 = E-տիպի պրոստանոիդ ընկալիչ 4.

Չնայած հեղինակները համոզիչ կերպով ցույց են տալիս, որ ՊԳԵ2 սինթեզի ուղին զգայուն է իր միկրոմիջավայրի կենսաֆիզիկական փոփոխությունների նկատմամբ ոչ IPF ֆիբրոբլաստներում, դեռևս կան գլուխկոտրուկների կտորներ, որոնք անհրաժեշտ են ամբողջական և համապարփակ պատկերի համար, քանի որ PGE2 կոնցենտրացիաները լիովին չեն վերականգնվել IPF ֆիբրոբլաստներում: Բացի այդ, թոքերի ֆիբրոբլաստների պահպանումը փափուկ և կոշտ 2D մատրիցի վրա մի քանի անցուղիների վրա, իսկապես, մեծապես ազդել է PGE-ի անդամների mRNA-ի և սպիտակուցի կոնցենտրացիաների վրա:2 ճանապարհ. Այնուամենայնիվ, ավելի կարճ ժամանակահատվածում իրականացված փորձերի ժամանակ mRNA կոնցենտրացիաների փոփոխությունները միշտ չէ, որ ամփոփվում են սպիտակուցի կոնցենտրացիաներում, և հաճախ առավել ակնառու ազդեցությունները PGE-ում ներգրավված ֆերմենտների վրա:2 սինթեզը նկատվել է փափուկ 3D գնդաձև կուլտուրաներում՝ համեմատած կոշտ 2D պայմանների հետ: Փափուկ 3D մշակույթի այս ուժեղ, արագ և խորը ազդեցությունը Բերհանի և գործընկերների հետաքրքիր բացահայտումն է, քանի որ այն ավելի է ընդգծում բջջային ռեակցիաների բարդությունն ու զգայունությունը էիկոզանոիդ ուղիներում, ինչպես նաև 3D փորձարարական կարգավորումների պահանջարկն ու անհրաժեշտությունը: Հետևաբար, հեղինակները կարող էին բացահայտել PGE-ի լրացուցիչ կարգավորիչ անցակետը2 սինթեզ հետագա հետազոտության հետագա ներուժով: Հետագա փորձերի ժամանակ կարևոր բաց հարցերի պատասխանները պետք է տրվեն, օրինակ՝ արդյո՞ք փափուկ և կոշտ 3D փորձարարական պարամետրերում բիոմեխանիկական փոփոխությունները դեռ կարող են ազդել PGE-ի վրա:2 ճանապարհ. Դրան պատասխանելու համար IPF-ով հիվանդների և հսկիչ առարկաների կամ ֆիբրոտիկ և ոչ ֆիբրոտիկ IPF-ի թոքերի հատվածներից ապաբջջազերծված թոքային հյուսվածքը կարող է ծառայել որպես պլաստմաս վերաբջջայինացման համար՝ PG արտադրությունը հետազոտելու համար: Բացի այդ, պրոստանոիդների տեղական կոնցենտրացիաները ֆիբրոտիկ և ոչ ֆիբրոտիկ տարածքներում պետք է ուսումնասիրվեն՝ պարզելու համար պրոֆիբրոտիկ և հակաֆիբրոտիկ PG-ների հնարավոր տեղաշարժերը և դրանց կախվածությունը մատրիցային կոշտությունից:

Միասին հեղինակները համակողմանիորեն բացահայտել են PGE-ի կարգավորման բազմաթիվ կետեր2 սինթեզ՝ կախված բիոմեխանիկական միջավայրից։ Նրանք լրացուցիչ բացատրություն են տալիս PGE-ի նվազեցված կոնցենտրացիաների վերաբերյալ2 IPF-ով հիվանդների մոտ և ընդգծում է PGE-ի թիրախավորման հնարավորությունը2 թոքային ֆիբրոզի ուղին.


Աճի գործոնի կարգավորում

ECM-ն անբաժանելի է մարմնի և #8217-ի աճի գործոնների կարգավորման մեջ: Tenascin-X (TNXB) ամենամեծ գլիկոպրոտեինն է արտաբջջային մատրիցում: Այն կարևոր է կոլագենի ձևավորման, ECM-ին բջիջների կպչման, ինչպես նաև ECM-ի ճարտարապետության և կառուցվածքի համար: TNXB-ի անբավարարությունը առաջացնում է մաշկի հիպերառաձգականություն, ինչպես նաև հիպերմոբիլ հոդեր: TGFß (վերափոխող աճի գործոն բետա) ընտանիքը կարևոր դեր է խաղում բջիջների գործունեության լայն շրջանակում, ներառյալ՝ բջիջների տարբերակումը, բջիջների գոյատևումը, բջիջների միգրացիան, կոլագենի տրանսկրիպցիան, վերքերի բուժումը և սաղմի զարգացումը: TGFß-ը նաև անբաժանելի է իմունային մոդուլյացիայի մեջ, ներառյալ TH1/TH2/TH17 հավասարակշռությունը: TNXB գենի տիրույթները մոդուլավորում են TGFß-ի օգտագործումը, հասունացումը և տառադարձումը (3, 4): Հետևաբար, մենք ակնկալում ենք, որ զգալի ֆիզիոլոգիական խնդիրներ կառաջանան TNXB-ի և ECM-ի խափանման պատճառով:

VEGF-ը (անոթային էնդոթելիային աճի գործոն) էական նշանակություն ունի թթվածնի ցածր պարունակությամբ հյուսվածքներին, ինչպես նաև վարժությունից հետո վերականգնման, արյունատար անոթների ձևավորման և մկանների ամբողջականության և ֆունկցիայի համար: Կարևոր է, որ VEGF-A-ն (անոթային էնդոթելիային աճի գործոնը) և VEGF-B-ն ուղղակիորեն կապվում են TNXB-ին արտաբջջային մատրիցում: Վատ շրջանառություն, մկանային հոգնածություն, ֆիզիկական վարժությունների նկատմամբ անհանդուրժողականություն ունեցող անհատները կարող են վատ VEGF ակտիվություն ունենալ:


ECM կազմը և գործառույթը

Մատրիցային բաղադրիչներ

ECM-ը սահմանվում է որպես սպիտակուցների և շաքարների բազմազան հավաքածու, որը շրջապատում է բոլոր պինդ հյուսվածքների բջիջները: Հյուսվածքի այս հատվածը կառուցվածքային աջակցություն է ապահովում՝ պահպանելով չլուծվող փայտամած, և դա իր հերթին սահմանում է օրգանների և բարդ հյուսվածքների բնորոշ ձևն ու չափերը: ECM-ը հիմնականում կազմված է մանրաթելային և ոչ ֆիբրիլյար կոլագենների, առաձգական մանրաթելերի և գլիկոզամինոգլիկան (GAG) պարունակող ոչ կոլագենային գլիկոպրոտեինների (հիալուրոն և պրոտեոգլիկաններ) բարդ փոխկապակցված ցանցից: Թեև ECM-ը պատմականորեն ընկալվել է որպես հիմնականում կառուցվածքային և, հետևաբար, բիոմեխանիկական դերակատարում, ECM-ի կարողությունը տրամադրել համատեքստային տեղեկատվություն, որը պատասխանատու է ինչպես անհատական, այնպես էլ կոլեկտիվ բջջային վարքը վերահսկելու համար, վերջին տարիներին ավելի ու ավելի է ճանաչվել:

Ներբջջային սինթեզից հետո ECM բաղադրիչները արտազատվում են միջքաղաքային մատրիցի մեջ, որը շրջապատում և աջակցում է բջիջները և հանդիսանում է հյուսվածքի կառուցվածքային փայտամածի հիմնական մատակարարը: Այս մատրիցը նաև առանցքային դեր է խաղում բջիջների պաշտպանության գործում՝ գործելով որպես սեղմման բուֆեր, երբ հյուսվածքները ենթարկվում են դեֆորմացնող սթրեսների: Հյուսվածքների մեծ մասում, բայց ոչ բոլորում հայտնաբերված ինտերստիցիալ մատրիցը հիմնականում բաղկացած է I տիպի մանրաթելային կոլագենից, որը ֆիբրոնեկտինի հետ միասին հաղորդում է հյուսվածքներին մեխանիկական ուժ (Erler and Weaver, 2009): Թեև կոլագենները ընդհանուր առմամբ ECM-ի ամենաառատ բաղադրիչն են, առանձին ինտերստիցիալ ECM բաղադրիչների դիֆերենցիալ արտահայտությունը հիմնավորում է բազմաթիվ օրգանների և հյուսվածքների հատուկ գործառույթները: Օրինակ՝ քոնդրոիտին սուլֆատը՝ սուլֆատացված GAG, որը սովորաբար հայտնաբերվում է որպես պրոտեոգլիկանի մաս՝ կապված սպիտակուցների հետ, բարձր արտահայտված է շարակցական հյուսվածքների ECM-ներում, ինչպիսիք են աճառը, ջլերը, կապանները և հիմնական զարկերակները, որտեղ այն օգնում է պահպանել կառուցվածքային ամբողջականությունը։ հյուսվածքի. Ի հակադրություն, արտազատվող թթվային և ցիստեինով հարուստ սպիտակուցը (SPARC), մատրիբջջային գլիկոպրոտեին, որն ի սկզբանե կոչվում էր օստեոնեկտին, ի սկզբանե հայտնաբերվել է ոսկորում, որտեղ այն կապում է կոլագենը և Ca 2+-ը՝ ոսկրերի հանքայնացման ընթացքում սկսելով միջուկացում (Termine et al., 1981 թ. ) Այնուամենայնիվ, ցույց է տրված, որ SPARC-ը նաև արտազատվում է ոչ էպիթելային բջիջների կողմից ոչ ոսկրացնող հյուսվածքներում (Sage et al., 1984) ինչպես զարգացման, այնպես էլ հյուսվածքների վերականգնման ընթացքում, որտեղ այն միջնորդում է ECM-ի վերափոխման և շրջանառության, ինչպես նաև բջիջ-ECM փոխազդեցությունները (Engel): et al., 1987 Sage et al., 1989 Funk and Sage, 1991 Lane and Sage, 1994 Murphy-Ullrich et al., 1995 Chlenski and Cohn, 2010): Հյուսվածքների արտաքին մեխանիկական բեռնումը կարող է նաև փոփոխել ECM կազմը որոշ հյուսվածքներում: Օրինակ, այն իրավիճակներում, երբ շարժունակությունը խանգարված է, նկատվում է հոդային կոլագենի պրոտեոգլիկանի պարունակության և ոսկրային հանքային խտության նվազում, սակայն դրանք աճում են վարժությունների հետ (Bird et al., 2000 Rittweger et al., 2006 Rittweger et al. , 2009), ենթադրելով, որ ECM-ի կազմը մոդուլացվում է ինչպես ներքին, այնպես էլ արտաքին խթանիչներով:

Ի լրումն ինտերստիցիալ մատրիցից, արտաբջջային նկուղային թաղանթները (BMs) թիթեղանման ECM-ի մասնագիտացված ձև են, որոնց վրա կարող են խարսխվել էպիթելի բջիջները և որոնք ուղղակիորեն փոխազդում են էպիթելի և էնդոթելիի հետ: Այս թաղանթները հիմնականում բաղկացած են կոլագեն IV-ից, լամինիններից, էնտակտինից (նաև հայտնի է որպես նիդոգեն) և հեպարան սուլֆատ պրոտեոգլիկաններից (Erler and Weaver, 2009): BM-ները առանցքային դեր են խաղում էպիթելային բջիջների գործառույթում՝ ապահովելով կողմնորոշման ազդանշաններ, որոնք օգնում են հաստատել և պահպանել ապիկոբազալ բևեռականությունը և բջիջների տարբերակումը:

ECM-ը կատարում է բազմաթիվ գործառույթներ, բացի կառուցվածքային աջակցություն տրամադրելուց: Մակրոսկոպիկորեն, ECM-ը ֆիզիկապես առանձնացնում է բջիջներն ու օրգանները և գործում է որպես պաշտպանիչ բարձ, օրինակ՝ կարգավորելով հիդրոստատիկ ճնշումը հյուսվածքների և օրգանների ներսում: Մանրադիտակային մակարդակում այս բարձր դինամիկ մոլեկուլային ցանցը կարող է նաև կարգավորել բջջային վարքագիծը, ի թիվս այլ բաների, տարածման, բջջային կմախքի կազմակերպման, բջջային տարբերակման և ընկալիչների ազդանշանի միջոցով (Paszek and Weaver, 2004 Kass et al., 2007): Նման «դրսից» կենսաքիմիական ազդանշանային մեխանիզմները հիմնված են ECM լիգանների ճշգրիտ տարածական կազմակերպման վրա՝ կարգավորվող եղանակով բարդ ազդանշանները ինտեգրելու համար (Hynes, 2009): Մատրիցայի կենսաֆիզիկական հատկությունները նաև կարգավորում են բջջային մեխանոսենսորային ուղիները՝ գլոբալ ենթաշերտի կոշտության միջոցով (երևույթ, որը սահմանվում է որպես մեխանոտաքսիս կամ դուրոտաքսիս) (Lo et al., 2000 Wong et al., 2003 Hadjipanayi et al., 2009) կամ արտաբջջային լարվածություն որպես թենսոտաքսիս) (Beloussov et al., 2000), որը բջիջներին հուշում է հայտնաբերել և արձագանքել հյուսվածքների բիոմեխանիկայի փոփոխություններին (Yu et al., 2010): Բացի այդ, ECM-ը նաև սեկվեստր է և, հետևաբար, գործում է որպես «տեղական պահեստ» աճի գործոնների և ցիտոկինների լայն շրջանակի համար: Օրինակ, հյուսվածքների վնասվածքը կարող է առաջացնել պրոթեզերոնի ակտիվություն, ինչը հանգեցնում է ազդանշանային մոլեկուլների արագ արտազատմանը [օրինակ՝ փոխակերպող աճի գործոն-β (TGFβ) (Wipff et al., 2007 Wells and Discher, 2008)], որն իր հերթին թույլ է տալիս արագացնել: և բջջային ֆունկցիաների տեղական աճի գործոնի միջնորդավորված ակտիվացում՝ առանց de novo սինթեզի:


Ներածություն

Վերջին 20 տարիների ընթացքում քաղցկեղի կենսաբանության և զարգացման կենսաբանության համընկնում է տեղի ունեցել, և երկու ոլորտներն էլ մեծապես օգուտ քաղել են միմյանց հետազոտական ​​առաջընթացից (Xie and Abbruzzese, 2003 Radtke and Clevers, 2005 Blanpain et al., 2007): Հետադարձաբար, նման սերտաճումն անխուսափելի է, քանի որ նույն բջիջների վարքագծերը և գործընթացները, որոնք էական նշանակություն ունեն սաղմի զարգացման համար, նույնպես անփոխարինելի են քաղցկեղի առաջընթացի համար (Egeblad et al., 2010a): Հայեցակարգը, որ տեղական միկրոմիջավայրերը կամ խորշերը կարևոր դեր են խաղում բջիջների վարքը կարգավորելու գործում, որը դասական սաղմնաբանության կենտրոնական թեմաներից մեկն է, գնալով ավելի ու ավելի է ընդունվում քաղցկեղի կենսաբանության մեջ (Bissell and Radisky, 2001 Wiseman and Werb, 2002 Bissell and Labarge): , 2005):

Մեծ ջանքեր են գործադրվել որոշելու, թե ինչպես են նիշի բջջային բաղադրիչները սկսում և նպաստում քաղցկեղի զարգացմանը (Bhowmick et al., 2004): Այնուամենայնիվ, վերջին առաջընթացը նաև ընդգծեց խորշի ոչ բջջային բաղադրիչների, հատկապես ECM-ի կարևորությունը քաղցկեղի առաջընթացի ժամանակ (Sternlicht et al., 1999 Paszek et al., 2005 Erler et al., 2006, 2009 Levental et al., 2009 թ. ) Թեև երկար ժամանակ դիտվում էր որպես կայուն կառուցվածք, որը հիմնականում օժանդակ դեր է խաղում հյուսվածքների մորֆոլոգիայի պահպանման գործում, ECM-ը բջջի միջավայրի էական մասն է, որը զարմանալիորեն դինամիկ և բազմակողմանի է և ազդում է բջջային կենսաբանության հիմնարար ասպեկտների վրա (Hynes, 2009): Ուղղակի կամ անուղղակի միջոցների միջոցով ECM-ը կարգավորում է բջջային գրեթե բոլոր վարքագիծը և անփոխարինելի է զարգացման հիմնական գործընթացների համար (Wiseman et al., 2003 Stickens et al., 2004 Rebustini et al., 2009 Lu et al., 2011):

Համապատասխան ECM-ի բազմաթիվ կարևոր դերերին, կան բազմաթիվ կարգավորող մեխանիզմներ՝ ապահովելու համար, որ ECM-ի դինամիկան, որը միասին չափվում է դրա արտադրությամբ, քայքայմամբ և վերափոխմամբ, նորմալ է օրգանների զարգացման և գործունեության ընթացքում (Page-McCaw et al., 2007): Նման վերահսկողության մեխանիզմների խախտումը ապակարգավորում և անկազմակերպում է ECM-ը, ինչը հանգեցնում է խորշում բնակվող բջիջների աննորմալ վարքի և, ի վերջո, օրգանների հոմեոստազի և ֆունկցիայի ձախողման: Իրոք, աննորմալ ECM դինամիկան ամենակարևոր կլինիկական արդյունքներից մեկն է այնպիսի հիվանդությունների դեպքում, ինչպիսիք են հյուսվածքների ֆիբրոզը և քաղցկեղը (Cox and Erler, 2011):

ECM կենսաբանության հիմնական մարտահրավերն է հասկանալ ECM-ի դերը նորմալ զարգացման մեջ և ինչպես կարող է ECM-ի դինամիկայի խախտումը նպաստել այնպիսի հիվանդությունների, ինչպիսին է քաղցկեղը: Այստեղ մենք ուսումնասիրում ենք ECM-ի բազմազան հատկությունները, որոնք էական են քաղցկեղի մեջ նրա բազմակողմանի դերի համար: Մենք կենտրոնանում ենք այն բանի վրա, թե ինչպես է աննորմալ ECM-ն ապակարգավորում էպիթելի և ստրոմալ բջիջների տարբեր բաղադրիչների վարքը քաղցկեղի զարգացման տարբեր փուլերում:

ECM-ի հատկություններն ու առանձնահատկությունները

ECM-ը կազմված է կենսաքիմիապես տարբեր բաղադրիչների մեծ հավաքածուից՝ ներառյալ սպիտակուցներ, գլիկոպրոտեիններ, պրոտեոգլիկաններ և պոլիսախարիդներ՝ տարբեր ֆիզիկական և կենսաքիմիական հատկություններով (Whittaker et al., 2006 Ozbek et al., 2010): Կառուցվածքային առումով, այս բաղադրիչները կազմում են և՛ նկուղային թաղանթը, որը համատեղ արտադրվում է էպիթելի, էնդոթելիի և ստրոմալ բջիջների կողմից՝ էպիթելը կամ էնդոթելիումը ստրոմայից առանձնացնելու համար, և՛ ինտերստիցիալ մատրիցը, որը հիմնականում ստեղծվում է ստրոմալ բջիջների կողմից: Նկուղային թաղանթը մասնագիտացված ECM է, որն ավելի կոմպակտ է և ավելի քիչ ծակոտկեն, քան ինտերստիցիալ մատրիցը: Այն ունի տարբերակիչ բաղադրություն, որը պարունակում է IV տիպի կոլագեն, լամինիններ, ֆիբրոնեկտին և կապող սպիտակուցներ, ինչպիսիք են նիդոգենը և էնտակտինը, որոնք կապում են կոլագենները սպիտակուցի այլ բաղադրիչների հետ: Ի հակադրություն, ինտերստիցիալ մատրիցը հարուստ է ֆիբրիլային կոլագեններով, պրոտեոգլիկաններով և տարբեր գլիկոպրոտեիններով, ինչպիսիք են տենասցինը C-ն և ֆիբրոնեկտինը, և, հետևաբար, բարձր լիցքավորված է, խոնավացված և մեծապես նպաստում է հյուսվածքների առաձգական ուժին (Egeblad et al., 2010b):

Երբ հավաքվում են կանոնավոր կերպով, ECM բաղադրիչները, իրենց կառուցվածքային և կենսաքիմիական ուշագրավ բազմազանությամբ և ֆունկցիոնալ բազմակողմանիությամբ, մատրիցաներին հաղորդում են եզակի ֆիզիկական, կենսաքիմիական և բիոմեխանիկական հատկություններ, որոնք էական են բջիջների վարքը կարգավորելու համար: Օրինակ, ECM-ի ֆիզիկական հատկությունները վերաբերում են նրա կոշտությանը, ծակոտկենությանը, անլուծելիությանը, տարածական դասավորությանը և կողմնորոշմանը (կամ տեղագրությանը) և այլ ֆիզիկական հատկանիշներին, որոնք միասին որոշում են նրա դերը փայտամածի մեջ՝ աջակցելու հյուսվածքների ճարտարապետությանը և ամբողջականությանը: Բացի այդ, որպես խոչընդոտ, խարսխման տեղ կամ շարժման ուղի գործելով՝ ECM-ի ֆիզիկական հատկությունները խաղում են ինչպես բացասական, այնպես էլ դրական դերեր բջիջների միգրացիայի մեջ (նկ. 1, փուլեր 1-3):

Ի հակադրություն, ECM-ի կենսաքիմիական հատկությունները վերաբերում են նրա անուղղակի և ուղղակի ազդանշանային հնարավորություններին, որոնք թույլ են տալիս բջիջներին զգալ և փոխազդել իրենց միջավայրի հետ՝ օգտագործելով տարբեր ազդանշանների փոխակերպման կասկադներ, որոնք բխում են բջջի մակերեսից մինչև միջուկ, ինչը հանգեցնում է գեների արտահայտման կամ բջիջների այլ փոփոխությունների: վարքագիծ. Օրինակ, որպես բարձր լիցքավորված սպիտակուցային ցանց, որը հարուստ է պոլիսախարիդային փոփոխություններով, ECM-ը կարող է կապվել աճի բազմաթիվ գործոնների հետ, ներառյալ ոսկրային մորֆոգենետիկ սպիտակուցները, FGF-ները, ոզնիները և WNT-ները (Hynes, 2009): Դրանով իսկ ECM-ը սահմանափակում է լիգանդների դիֆուզիոն տիրույթը, հասանելիությունը և ազդանշանային ուղղությունը դեպի իրենց հարազատ ընկալիչները (Նկար 1, փուլեր 4–6 Norton et al., 2005): Բացի այդ, ECM-ը կարող է նաև ուղղակիորեն նախաձեռնել ազդանշանային իրադարձություններ, մասնավորապես՝ գործելով որպես կենսաբանորեն ակտիվ ազդանշանային բեկորների նախադրյալ (Նկար 1, փուլ 7 Hynes, 2009 Lu et al., 2011):

ECM կենսաբանության մեջ աճող տարածքն այն է, թե ինչպես է նրա բիոմեխանիկական հատկությունները, ներառյալ ECM-ի առաձգականությունը (որը տատանվում է փափուկ և համապատասխանից մինչև կոշտ և կոշտ), նպաստում է զարգացմանը և հիվանդությանը (McBeath et al., 2004 Reilly and Engler, 2010): Ինչպես պարզվում է, ECM առաձգականությունը օգնում է որոշել, թե ինչպես է բջիջը զգում և ընկալում արտաքին ուժերը (Paszek et al., 2005 Lopez et al., 2008 Gehler et al., 2009) և այդպիսով ապահովում է հիմնական բնապահպանական ազդանշան, որը որոշում է բջիջների վարքը (Kölsch: et al., 2007 Montell, 2008 Fernandez-Gonzalez et al., 2009 Pouille et al., 2009 Solon et al., 2009 DuFort et al., 2011): Իրոք, կիզակետային կպչուն համալիրը, որը բաղկացած է ինտեգրիններից և ադապտերների ու ազդանշանային սպիտակուցների բազմակոմպլեքսից, կարող է դիտվել որպես ակտոմիոզինի ցիտոկմախքը ECM-ի հետ կապող մեխանոսենսոր: Կիզակետային սոսնձման բաղադրիչներից շատերը, ներառյալ թալինը և p130Cas-ը, ենթարկվում են կոնֆորմացիոն փոփոխությունների, որոնք տալիս են ֆունկցիոնալ հետևանքներ՝ ի պատասխան կիրառվող ուժի (Sawada et al., 2006 del Rio et al., 2009 Wang et al., 2011): Ցիտոսկելետոնի և միջուկային մատրիցների, միջուկային ծածկույթի և քրոմատինի հետ միասին նրանք կազմում են բարդ մեխանիզոնսավորման մեխանիզմ, որը որոշում է, թե ինչպես են բջիջները արձագանքում ECM-ից ստացվող ուժերին (DuFort et al., 2011): Հետաքրքիր է, սակայն, որ մեխանիկական ուժի փոփոխությունները կարող են փոխակերպվել մկան ջիլում TGF-β ազդանշանային գործունեության տարբերությունների (Maeda et al., 2011), ինչը ենթադրում է, որ պայմանական ազդանշանային ուղիները կարող են օգտագործվել ECM-ի բիոմեխանիկական հատկությունները մեկնաբանելու համար: Արդյունքում, ECM-ի բիոմեխանիկական հատկությունները կարգավորում են տարբեր էական բջիջների վարքագիծը, ներառյալ բջիջների ճակատագրի որոշումը, տարբերակումը և հյուսվածքների գործառույթը (Նկար 1, փուլ 8 Engler et al., 2006 Lutolf et al., 2009 Gilbert et al., 2010):

Կարևոր է, որ ECM-ի հատկությունների մի քանի ակնառու բնութագրիչներ նպաստում են դրա կարևորությանը զարգացման և հիվանդության մեջ: Նախ, ECM-ի տարբեր հատկությունները ավելի շուտ անկախ չեն, դրանք փոխկապակցված են: Հետևաբար, երբ ECM-ն խստանում է, ինչպես, օրինակ, պաթոլոգիական պայմաններում, նրա բիոմեխանիկական հատկությունները փոխվում են, և բջիջները արձագանքում են նկատելիորեն տարբեր տեսակի ուժեր գործադրելով (Yu et al., 2011): Բացի այդ, մատրիցային խստացումը փոխում է նաև ECM-ի այլ ֆիզիկական հատկությունները և, որպես հետևանք, ուղղակիորեն ազդում է, թե ինչպես են արտագաղթող բջիջները փոխազդում ECM-ի հետ: Այսպիսով, գծային խաչաձև կապակցված կոլագենի կապոցները, որոնք բավականին կոշտ են, ուժեղացնում են բջիջների միգրացիան, մինչդեռ կոշտ խաչաձև կապակցված մատրիցային մանրաթելերի խիտ ցանցը խոչընդոտում է միգրացիան, քանի դեռ մատրիցային մետաղապրոտեինազները (MMPs) միաժամանակ չեն ակտիվանում (Egeblad et al., 2):

Երկրորդը, ECM-ը շատ դինամիկ է, որը մշտապես վերափոխվում է տարբեր հյուսվածքներում սաղմնային և հետծննդյան տարբեր փուլերում: ECM-ի դինամիկան կարող է առաջանալ ECM-ի բացարձակ քանակի կամ կազմի փոփոխություններից, օրինակ՝ մեկ կամ մի քանի ECM բաղադրիչների փոփոխված սինթեզի կամ քայքայման հետևանքով: Որպես այլընտրանք, ECM-ի դինամիկան կարող է ցույց չտալ իր բաղադրիչների բաղադրամասային փոփոխություններ, փոխարենը ներառում է միայն այն, թե ինչպես են առանձին ECM բաղադրիչները դրված, խաչաձև կապակցված և տարածականորեն դասավորված միասին կովալենտային և ոչ կովալենտային փոփոխությունների միջոցով:

Վերջապես, բջջ-ECM փոխազդեցության ամենահայտնի առանձնահատկություններից մեկն այն է, որ դրանք փոխադարձ են: Մի կողմից, բջիջները մշտապես ստեղծում, քայքայվում են կամ այլ կերպ վերադասավորում և վերադասավորում են ECM բաղադրիչները՝ փոխելու ECM-ի մեկ կամ մի քանի հատկություններ: Մյուս կողմից, քանի որ ECM-ը կարգավորում է բջիջների տարբեր վարքագիծը, բջջային գործունեության արդյունքում ECM-ի ցանկացած փոփոխություն իր հերթին կազդի հարակից բջիջների վրա և կփոփոխի նրանց վարքագիծը (Butcher et al., 2009): Բջիջների և ECM-ի միջև հետադարձ կապի կարգավորման այս մեխանիզմը թույլ է տալիս բջիջներին և հյուսվածքներին արագ հարմարվել իրենց միջավայրին (Samuel et al., 2011):

Չկարգավորված ECM դինամիկան քաղցկեղի բնորոշ նշան է

ECM-ի վերափոխումը սերտորեն կարգավորվում է զարգացման ընթացքում և հիմնականում իրականացվում է ECM ֆերմենտների արտահայտման կամ գործունեությունը բազմաթիվ մակարդակներում վերահսկելու միջոցով: Օրինակ՝ ECM քայքայող ֆերմենտները, որոնք ներառում են MMP-ներ, դիզինտեգրին և մետալոպրոտեինազ՝ թրոմբոսպոնդինի մոտիվներով, և սերին պրոթեզերոնի պլազմինը. չստուգված մնալով, այս ֆերմենտների հզոր գործունեությունը կարող է կործանարար կործանարար հետևանքներ ունենալ հյուսվածքների վրա և առաջացնել ամբողջ օրգանիզմի մահ: Արդյունքում, ECM-ի վերափոխող ֆերմենտները ոչ միայն կարգավորվում են տրանսկրիպցիոն և թարգմանչական մակարդակներում, այլ նաև հետթարգմանաբար՝ օգտագործելով իրենց ֆունկցիոնալ արգելակող պրոդոմենների և ընտրովի պրոտեինազի ինհիբիտորները (Page-McCaw et al., 2007 Aitken and Bägli, 2009):

Չնայած բազմաթիվ հսկողության մեխանիզմների առկայությանը, ECM վերափոխող ֆերմենտների գործունեությունը կարող է ապակարգավորվել տարիքի հետ կամ հիվանդության պայմաններում: Հետևաբար, ECM-ի դինամիկան կարող է դառնալ աննորմալ, քանի որ ECM-ի քանակությունը, կազմը կամ տեղագրությունը շեղվում են, ինչը հանգեցնում է ECM-ի էական հատկությունների անկազմակերպման և փոփոխության: ECM վերափոխող ֆերմենտների փոփոխված գործունեության և, հետևաբար, աննորմալ ECM նյութափոխանակության հիմնական նպաստողները ստրոմալ բջիջներն են, ներառյալ քաղցկեղի հետ կապված ֆիբրոբլաստները (CAFs) և իմունային բջիջները (Bhowmick et al., 2004 Orimo et al., 2005): Այնուամենայնիվ, բջիջների այլ տեսակներ, ներառյալ էպիթելային բջիջները և մեզենխիմալ ցողունային բջիջները (MSCs), նույնպես կարող են ներգրավված լինել քաղցկեղի զարգացման վերջին փուլերում (Quante et al., 2011 Singer and Caplan, 2011):

Աննորմալ ECM դինամիկան լավ փաստագրված է բազմաթիվ հիվանդությունների կլինիկական ուսումնասիրություններում և հանդիսանում է քաղցկեղի բնորոշ նշան: Օրինակ, ECM-ի ավելցուկ արտադրությունը կամ ECM-ի կրճատված շրջանառությունը կարևոր է շատ օրգանների հյուսվածքային ֆիբրոզում (Frantz et al., 2010): Տարբեր կոլագեններ, ներառյալ կոլագենը I, II, III, V և IX, ցույց են տալիս աճող նստվածք ուռուցքի ձևավորման ժամանակ (Zhu et al., 1995 Kauppila et al., 1998 Huijbers et al., 2010): Տարիքի հետ նվազում է կոլագենի կուտակումը և ավելանում է MMP ակտիվությունը (Norton et al., 2005 Butcher et al., 2009): Ավելին, շատ այլ ECM բաղադրիչներ և դրանց ընկալիչները, ինչպիսիք են հեպարան սուլֆատ պրոտեոգլիկանները և CD44-ը, որոնք հեշտացնում են աճի գործոնի ազդանշանը, հաճախ գերարտադրվում են քաղցկեղի մեջ (Kainz et al., 1995 Stauder et al., 1995 Nasser, 2008): Այսպիսով, ECM-ի քանակի և կազմի աննորմալ փոփոխությունները կարող են մեծապես փոխել ECM-ի կենսաքիմիական հատկությունները, ուժեղացնել տարբեր աճի գործոնի ազդանշանային ուղիների օնկոգեն ազդեցությունները և դեկարգավորել բջիջների վարքագիծը չարորակ փոխակերպման ժամանակ:

Ի լրումն իր կենսաքիմիական հատկությունների փոփոխություններին, ուռուցքի հետ կապված ECM-ի ճարտարապետությունը և այլ ֆիզիկական հատկությունները սկզբունքորեն տարբերվում են նորմալ հյուսվածքի ստրոմայից, այլ ոչ թե հանգստացած ոչ կողմնորոշված ​​մանրաթելերից, կոլագեն I-ը կրծքագեղձի ուռուցքներում հաճախ խիստ գծային է և կամ կողմնորոշված ​​է հարևանությամբ: էպիթելի կամ հյուսվածքի մեջ ուղղահայաց դուրս եկող (Provenzano et al., 2006 Levental et al., 2009): Այս փոփոխություններին համապատասխան՝ ECM-ի վերափոխող շատ ֆերմենտների արտահայտությունը հաճախ ապակարգավորվում է մարդու քաղցկեղի դեպքում: Հեպարանազները, 6-Օ-սուլֆատազները, ցիստեին կաթեպսինները, ուրոկինազը և, հատկապես, շատ ՄՄՊ-ներ հաճախ գերարտահայտվում են տարբեր քաղցկեղներում (Ilan et al., 2006 Kessenbrock et al., 2010):

Ավելին, ECM-ի բիոմեխանիկական հատկությունները նույնպես փոխվում են հիվանդության պայմաններում: Օրինակ, ուռուցքային ստրոման սովորաբար ավելի կոշտ է, քան նորմալ ստրոման կրծքագեղձի քաղցկեղի դեպքում, հիվանդ հյուսվածքը կարող է 10 անգամ ավելի կոշտ լինել, քան նորմալ կրծքագեղձը (Levental et al., 2009 Lopez et al., 2011): Հյուսվածքների կոշտության բարձրացման մի մասը կարող է վերագրվել լիզիլ օքսիդազի (LOX) ավելցուկային ակտիվությանը, որը խաչաձեւ կապում է կոլագենի մանրաթելերը և այլ ECM բաղադրիչները: Իրոք, LOX-ի արտահայտման բարձրակարգ կարգավորումը նկատվել է տարբեր քաղցկեղների, ներառյալ կրծքագեղձի քաղցկեղի և գլխի և պարանոցի քաղցկեղի դեպքում, և դա վատ կանխատեսող մարկեր է (Le et al., 2009 Barker et al., 2011): Կարևոր է, որ մկների գենետիկայի օգտագործմամբ կատարված ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ LOX-ի գերարտահայտումը մեծացնում է ECM կոշտությունը և նպաստում ուռուցքային բջիջների ներխուժմանը և առաջընթացին (Levental et al., 2009): Ի հակադրություն, LOX-ի արգելակումը նվազեցնում է հյուսվածքների ֆիբրոզը և ուռուցքի առաջացումը Neu կրծքագեղձի քաղցկեղի մոդել (Levental et al., 2009): Միասին, այս տվյալները ցույց են տալիս, որ կոլագենի խաչաձև կապի և ECM կոշտության ապակարգավորումը ավելին է, քան պարզապես երկրորդական արդյունք, այլ դրա փոխարեն պատճառական դեր է խաղում քաղցկեղի պաթոգենեզում: Հետաքրքիր է, սակայն, որ միայն LOX-ի գերարտահայտումը անբավարար է ուռուցքների ձևավորման պատճառ դառնալու համար (Levental et al., 2009), ինչը ենթադրում է, որ ECM-ի վերակազմավորման ապակարգավորումը կրծքագեղձում ուռուցքի առաջացման առաջնային ինդուկտորի փոխարեն կոկոնսպիրատոր է:

Աննորմալ ECM դինամիկան քաղցկեղի առաջընթացի ժամանակ

Բազմաբջջային օրգանիզմները մշակել են բազմաթիվ ավելորդ մեխանիզմներ՝ կանխելու այն բջիջը, որը սերտորեն ինտեգրված է ֆունկցիոնալ հյուսվածքի այլ բջիջների հետ, դառնալու քաղցկեղ և հանգեցնել օրգանների անբավարարության և օրգանիզմի մահվան: Այս պաշտպանիչ միջոցները հաղթահարելու և քաղցկեղածին դառնալու համար բջիջը պետք է կուտակի բազմաթիվ օնկոգեն հատկություններ, որոնք, ի վերջո, հանգեցնում են չարորակ վերափոխման: Դրանք ներառում են քաղցկեղի բջիջների կողմից գոյատևելու, աճելու և ներխուժելու ունակության ձեռքբերումը (Hanahan and Weinberg, 2000, 2011): Along the way, cancer cells often lose their differentiation state and polarity, disrupt tissue integrity, and corrupt stromal cells to promote their own growth at both primary tumor and distant sites (Feigin and Muthuswamy, 2009 Luo et al., 2009).

Abnormal ECM can promote many of the aforementioned steps. An increase in collagen deposition or ECM stiffness, alone or in combination, up-regulates integrin signaling and can thus promote cell survival and proliferation (Wozniak et al., 2003 Paszek et al., 2005). Increased collagen cross-linking and ECM stiffness as a result of LOX overproduction promote focal adhesion assembly and ERK and PI3 kinase signaling and facilitate Neu-mediated oncogenic transformation (Levental et al., 2009). Moreover, various ECM components or their functional fragment derivatives have pro- or antiapoptotic effects (Mott and Werb, 2004). Therefore, deregulation of ECM remodeling can lead to apoptotic evasion by mutant cells. Among the numerous roles of abnormal ECM, we focus in the next section on how it may convert a normal stem cell niche into a cancer stem cell niche and how it may disrupt tissue polarity and integrity to promote tissue invasion, both of which are essential steps during cancer progression.

The ECM is an essential component of the stem cell niche and the cancer stem cell niche

Mounting evidence suggests that the ECM is an essential noncellular component of the adult stem cell niche. For example, various ECM receptors have been used as markers to enrich adult stem cells in many in vitro and in vivo systems (Shen et al., 2008 Raymond et al., 2009), suggesting that contact with the ECM is necessary for cells to acquire or maintain stem cell properties. In contrast, loss of ECM contact by either functional ablation (Yamashita et al., 2005 Tanentzapf et al., 2007 O’Reilly et al., 2008) or reduction (Frye et al., 2003) of the ECM receptor integrins or reduction of ECM components, including the glycoproteins osteopontin (Kollet et al., 2006 Lymperi et al., 2010), tenascin C (Garcion et al., 2004), or biglycan (Bi et al., 2007), reduces the number of stem cells in different vertebrate and invertebrate systems.

Studies now show that the ECM plays multiple roles in the stem cell niche. For example, ECM receptors allow stem cells to anchor to the special local niche environment where stem cell properties can be maintained. Such an anchorage physically constrains stem cells to make direct contact with niche cells, which produce paracrine signaling molecules that are essential for maintaining stem cell properties (Fig. 2 A, stage 1 Li and Xie, 2005). Moreover, anchorage allows stem cells to maintain cell polarity, orient their mitotic spindles, and undergo asymmetric cell division (Fig. 2 A, stage 2), a fundamental mechanism whereby stem cell self-renewal and differentiation are thought to be determined (Lambert and Nagy, 2002 Fuchs et al., 2004 Lechler and Fuchs, 2005 Yamashita and Fuller, 2008).

In addition to maintaining stem cell properties, the ECM, via its diverse and potent signaling abilities, can directly regulate stem cell differentiation, although the molecular details of how this is achieved have only just started to emerge. Many of the signaling pathways that play an important role in stem cell biology in numerous model systems are subject to ECM modulation. For example, tenascin C can modulate FGF2 and BMP4 signaling, both of which are essential for neural stem cell biology (Garcion et al., 2004), whereas the ECM regulates ligand accessibility of the Janus kinase–signal transducer and activator of transcription signaling pathway in the fly testis (Yamashita et al., 2005).

The biomechanical properties of the ECM also play an important role in regulating stem cell biology. MSCs grown on polymer gels with similar elasticity to the brain express neuronal markers and morphology, whereas those grown on gels that are semicompliant like smooth and skeletal muscle tissues or rigid like the bone express muscle or bone proteins, respectively (McBeath et al., 2004 Engler et al., 2006). Likewise, muscle stem cells grown on soft hydrogels with elasticity mimicking that of real muscle differentiate into functional muscle (Gilbert et al., 2010), highlighting the great promise that tissue engineering may hold in regenerative medicine. Together, it is conceivable that by modulating various aspects of ECM properties, a lineage-specific ECM may be created to facilitate cell differentiation processes during lineage specification and organ development (Fig. 2 A, stage 3).

The decision between stem cell expansion and differentiation is a delicate one and must be tightly controlled during normal organ homeostasis and function. An imbalance of these two events can lead to the generation of tumor-initiating cells, which have been called cancer stem cells by either overexpanding the stem cell pool or a failure in stem cell differentiation. Indeed, loss of cell polarity as a result of ablation of Numb or Lgl protein, essential components of the cell polarity machinery, disrupts asymmetric cell division and leads to overexpansion of neural stem cells and tumor formation in the brain (Li et al., 2003 Klezovitch et al., 2004). Therefore, the essential roles that the ECM plays in the stem cell niche make it a likely candidate to be targeted to create a cancer stem cell niche during cellular transformation. It is possible, at least theoretically, that deregulated ECM dynamics may cause formation of abnormal lineage-specific ECM and lead to cancer stem cell overexpansion and loss of differentiation (Fig. 2 B). However, whether a cancer stem cell niche may result from such an event of ECM dynamics deregulation remains to be rigorously tested.

The ECM maintains tissue polarity and architecture and prevents cancer cell invasion

An important feature of epithelial organs, which is often lost in cancer, is that cells in them have distinct polarity and architecture that are indispensable for organ formation and function (Ghajar and Bissell, 2008). Studies have shown that ECM is essential for the establishment and maintenance of tissue polarity and architecture. For example, β1-integrin maintains tissue polarity in solid organs including the mammary gland (Akhtar et al., 2009), whereas various ECM components are important for planar cell polarity during epithelial morphogenesis (Davidson et al., 2006 Latimer and Jessen, 2010 Skoglund and Keller, 2010). Abnormal ECM dynamics can compromise basement membrane as a physical barrier and promote epithelial–mesenchymal transition, which together can facilitate tissue invasion by cancer cells (Song et al., 2000 Duong and Erickson, 2004 Radisky and Radisky, 2010).

One way the physical barrier of basement membrane can be removed, at least partially, is by overexpressing MMPs. Consistent with this notion, mice overexpressing MMP3, MMP7, or MMP14 form mammary tumors (Sternlicht et al., 1999). It is reasonable to predict that cancer cells or their accompanying stromal and immune cells bearing MMPs have selective advantage over those that are not because, presumably, they can readily enter and exit the endothelial basement membrane and metastasize to distant sites. Additionally, changes in ECM topography may also facilitate cancer cell migration. Thickening and linearization of collagen fibers are common in cancers, and they are often found in areas where active tissue invasion and tumor vasculature are observed (Condeelis and Segall, 2003 Provenzano et al., 2006 Levental et al., 2009), suggesting that they play an active role in facilitating cancer cell invasion. Indeed, studies using live imaging have shown that cancer cells migrate rapidly on collagen fibers in areas enriched in collagen (Wang et al., 2002 Condeelis and Segall, 2003 Wyckoff et al., 2007).

Together, deregulation of ECM dynamics can facilitate cellular dedifferentiation and cancer stem cell expansion. Additionally, they disrupt tissue polarity and promote tissue invasion. As a result, epithelial cells are directly affected by deregulated ECM dynamics, leading to cellular transformation and metastasis.

Abnormal ECM promotes formation of a tumor microenvironment

Abnormal ECM also indirectly affects cancer cells by influencing the behavior of stromal cells, including endothelial cells, immune cells, and fibroblasts, which are the main initial culprits that cause abnormal ECM production (Bhowmick et al., 2004 Orimo et al., 2005 Quante et al., 2011). As a result, abnormal ECM further perpetuates the local niche and promotes the formation of a tumorigenic microenvironment.

Role of the ECM in tumor angiogenesis and lymphangiogenesis

As a disorganized organ, tumor develops by using many of the same cellular and developmental processes essential for organogenesis (Ruoslahti, 2002 Egeblad et al., 2010a). For a tumor to increase in size, for example, tumor cells face the same increasing demand for nutrient, oxygen, and waste exchange as normal cells do in a growing organ during development. As in normal development, such a demand is met by angiogenesis, the process whereby new blood vessels sprout from the existing vasculature (Davis and Senger, 2005). Furthermore, tumor vasculature, together with the lymphatic system, is the main route through which cancer cells metastasize and immune cells infiltrate. Consequently, tumor-associated angiogenesis and lymphangiogenesis, the process whereby lymphatic vessels are generated, are important aspects of cancer progression (Fig. 3 Avraamides et al., 2008).

The role of abnormal ECM in tumor angiogenesis is a result of the various functions that ECM components play in blood vessel formation during normal development. For example, many ECM fragments, including endostatin, tumstatin, canstatin, arresten, and hexastatin, all of which are derived from collagens type IV and XVIII, have potent stimulatory or inhibitory effects on angiogenesis (Mott and Werb, 2004). They are likely to collaborate with other pro- or antiangiogenic factors, including VEGF, to determine where to initiate vascular branching and the final branch pattern (Fig. 3 A, stage 1). To initiate vascular branching, vessel basement membrane ECM needs to be removed most likely by MMPs expressed by invading endothelial cells (Fig. 3 A, stage 2). MMPs, for example MMP14 (MT1-MMP), are also required for the invading tip cell, which is at the leading edge of an endothelial branch, to wade through the interstitial matrix toward target cells (Fig. 3 A, stage 3 Genís et al., 2007 van Hinsbergh and Koolwijk, 2008). In addition, hypoxia can lead to overproduction of LOX-like protein-2 and a subsequent increase in ECM cross-linking and stiffening, resulting in sprouting angiogenesis (Bignon et al., 2011). These data suggest that ECM biomechanical properties also play essential roles in angiogenesis.

Angiogenesis is a complex process, requiring coordination of many cellular activities. Thus, in addition to guiding endothelial cell migration and branching, ECM and its fragments may be involved in endothelial cell survival and proliferation to supply cellular building blocks for vessel growth (Sweet et al., 2011). Furthermore, ECM components are involved in cellular morphogenesis, including vessel lumen formation (Newman et al., 2011) and other aspects of tubulogenesis during tumor angiogenesis (Davis and Senger, 2005). The biomechanical properties of the ECM appear to play an especially important role in this process. Indeed, vascular networks with markedly distinct branching patterns have been observed when endothelial cells are grown on matrix with different elasticity (Myers et al., 2011).

Finally, new ECM is deposited to form basement membrane to surround blood vessels during tumor angiogenesis. Importantly, however, the basement membrane of the tumor vasculature is more porous and leaky than normal (Hewitt et al., 1997 Hashizume et al., 2000), which facilitates tumor cell metastasis and immune cell infiltration and promotes cancer progression (Ruoslahti, 2002 Egeblad et al., 2010a). Likewise, the lymphatic system can also transport tumor and immune cells. Recent studies show that the ECM receptor integrin α9β1 plays an important role in the formation of lymphatic vessels (Huang et al., 2000 Avraamides et al., 2008), suggesting that the ECM is likely to play a role in tumor lymphangiogenesis as well. However, this suggestion awaits further experimental testing, as do the details of how abnormal ECM dynamics may deregulate lymphangiogenesis during cancer progression.

Role of the ECM in tumor-associated inflammation

Inflammation, characterized by massive influx of immune cells, plays a causative role in cancer development. Although their initial function is supposed to suppress tumor growth, immune cells including macrophages are often altered and recruited by tumor cells at later stages to promote cancer (Coussens and Werb, 2002). As in tumor angiogenesis, abnormal ECM affects many aspects of immune cell behaviors, including infiltration, differentiation, and functional activation.

For example, mice lacking the ECM glycoprotein SPARC (secreted protein acidic and rich in cysteine) have an increased number of macrophages in tumors, suggesting that the ECM can influence the number of immune cells. One way the ECM affects immune cells is by regulating cell proliferation (Adair-Kirk and Senior, 2008 Sorokin, 2010). ECM components also may function as chemoattractants to immune cells (Fig. 3 B, stage a). For example, elastin fragments are able to recruit monocytes, but not neutrophils, in the rat lung (Houghton et al., 2006). The acetylated tripeptide Pro-Gly-Pro derived from collagen I proteolysis by MMP8 or MMP9 can functionally mimic the chemoattractant CXCL8 on neutrophils in a lung inflammation model (Weathington et al., 2006). Alternatively, activation of collagen receptor DDR1 can also promote macrophage infiltration in atherosclerotic plaques (Franco et al., 2009).

To reach the inflamed or tumor sites, immune cells encounter two kinds of potential ECM barriers: the endothelial basement membrane and interstitial matrix. Studies using EM and, more recently, intravital imaging have shown that transmigration across the endothelial basement membrane is a rate-limiting step during T cell extravasation (Wang et al., 2006 Bartholomäus et al., 2009). Interestingly, however, inhibition of integrin α6β1, which binds to laminin, results in reduced neutrophil infiltration and trapping of neutrophils between endothelium and the basement membrane (Dangerfield et al., 2002). These data suggest that, although the basement membrane is a barrier to immune cell extravasation, binding and attachment to ECM components are necessary for transmigration to occur. It remains unclear how immune cells transmigrate across the basement membrane, for example, regarding whether ECM degradation is involved and whether immune cells have preferred and presumably more porous passage sites along the vessel wall (Rowe and Weiss, 2008). Once they enter the stroma, immune cells travel through the interstitial matrix during infiltration. As in the cases of tumor and endothelial cells, ECM topography such as collagen fibril size and density can influence migration of immune cells (Fig. 3 B, stage a Lämmermann et al., 2008).

The ECM also regulates the activation of immune cells. For example, increased ECM stiffness can promote integrin-mediated adhesion complex assembly and activate T cells (Ashkar et al., 2000 Adler et al., 2001 Hur et al., 2007 Sorokin, 2010). Although collagen type I promotes infiltration of immune cells, it inhibits the ability of macrophages to kill cancer cells by blocking polarization and, thus, activation of macrophages (Fig. 3 B, stage b Kaplan, 1983). These results highlight the complex nature of how ECM deregulation may affect behaviors of different groups of immune cells. The inhibitory effect of collagen I on immune cells is likely mediated by its binding with the leukocyte-associated Ig-like receptors (LAIRs), which are expressed at the surface of most immune cells (Meyaard, 2008 Frantz et al., 2010). At present, it is not clear whether LAIRs and integrins cooperate however, the activation of LAIRs is a plausible mechanism whereby high levels of tumor collagen can attenuate the otherwise tumor-suppressive function of immune cells. Additionally, the ECM plays an important role in immune cell differentiation, including the maturation process of T helper cells (Chabas et al., 2001 Hur et al., 2007). A study also shows that hyaluronan can induce regulatory T cell differentiation from effector memory T cell precursors (Bollyky et al., 2011). Therefore, one plausible mechanism whereby abnormal ECM sabotages the immune system during cancer development may be to prevent immune cells from undergoing their normal differentiation and maturation process (Fig. 3 B, stage c).

Finally, another group of stromal cells, MSCs, has emerged as an important player in the cancer niche. As multipotent stem cells, MSCs normally can give rise to various cell types, including osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, and, at least under pathological conditions, CAFs (Quante et al., 2011), which are essential for abnormal ECM metabolism. Because the ECM plays an important role in MSC differentiation (Engler et al., 2006), it is likely that MSCs may be yet another target cell population of abnormal ECM dynamics in the formation of a cancer niche. This is an especially important point, as MSCs can exert pleiotropic effects on inflammation (Aggarwal and Pittenger, 2005 Ripoll et al., 2011 Singer and Caplan, 2011). Together, these data reinforce the possibility that, once beyond a certain threshold, deregulated ECM dynamics may cause irreversible changes to the normal niche and convert it into a cancer-promoting environment.

In summary, abnormal ECM dynamics deregulate behaviors of both cancer cells and stromal cells. On the one hand, ECM anomalies promote cancer cell transformation and tissue invasion on the other hand, they help generate a tumorigenic niche that further facilitates cancer progression. Such a double-whammy effect is a recurring theme at later stages of cancer metastasis, as is evident from the next section.

The ECM: An essential component of premetastatic and metastatic niches

Cancer cell metastasis is a multistep process, consisting of local invasion and intravasation at the primary site, survival in the circulation, and extravasation and colonization at the distant site (Paget, 1889). Depending on cancer type and organ destination, these steps may have distinct kinetics during cancer metastasis (Nguyen et al., 2009). A successful metastasis requires not only a local niche to support cancer cell growth at the primary site but also one, the metastatic niche, to allow invading cancer cells to survive, colonize, and expand to form a macrometastasis (Psaila and Lyden, 2009).

Although still in its infancy, studies support that the ECM is, as in the primary tumor niche, an essential component of the metastatic niche. For example, although most metastatic cancer cells die, mammary carcinoma cells expressing the hyaluronan receptor CD44 survive better than cells with low levels of CD44 (Yu et al., 1997). These data imply that hyaluronan and maybe other ECM components promote survival of metastatic cancer cells. Moreover, as in the case of primary tumor niche, LOX activities are often up-regulated in metastatic cancer sites as a result of increased production from cancer cells or activated fibroblasts at the metastatic niche (Erler et al., 2009). Increase in mechanical force as a result of LOX expression and ECM stiffening presumably facilitates colonization of cancer cells and infiltration of immune cells at the metastatic site. These changes may be similar to the ones at the primary niche and together may further trigger the angiogenic switch and lead to cancer cell expansion from micrometastasis to macrometastasis (Fig. 4). However, this notion remains to be tested experimentally.

Remarkably, mounting evidence suggests that cancer cells may remotely modify, often with the involvement of other cell types including hematopoietic progenitor cells, distant sites and proactively participate in the creation of a premetastatic niche before metastasis (McAllister and Weinberg, 2010 Bateman, 2011). For example, cancer cells at the primary site produce osteopontin and other factors to recruit granulin-expressing hematopoietic progenitor cells, which can then deregulate behaviors of the distant stromal cells (Elkabets et al., 2011). Interestingly, granulin, belonging to the epithelin family of secreted growth factors, can increase the expression of a variety of ECM components and their modifying enzymes in stromal fibroblasts (Elkabets et al., 2011).

Changes of ECM composition are important for continued recruitment of hematopoietic progenitor cells to the premetastatic niche. For example, increased fibronectin expression is essential for VEGF receptor 1 + (VEGFR1 + ) hematopoietic progenitor cells, which also express the fibronectin receptor integrin α4β1, to migrate and adhere to the niche in the lung (Kaplan et al., 2005). Once there, VEGFR1 + hematopoietic progenitor cells secrete MMP9, which is known to play a role in lung-specific metastasis (Hiratsuka et al., 2002), and thus further modulate and deregulate the premetastatic niche. In addition to fibronectin, other ECM components may also be important for the function of the premetastatic niche. For example, hyaluronan and its receptor CD44 facilitate signaling via C-X-C chemokine receptor 4 (CXCR4) and its ligand stromal-derived growth factor 1 (SDF1/CXCL12 Netelenbos et al., 2002 Avigdor et al., 2004), which are essential for organ-specific metastasis of tumor cells to the lung or bone marrow (Jones et al., 2006). Thus, these data suggest that deregulation of ECM dynamics is an important step during the formation of a premetastatic niche.

Collectively, a picture has started to emerge with regard to ECM’s roles in cancer progression: normal ECM dynamics are essential for embryonic organ development and postnatal function (Fig. 4 A) deregulated ECM dynamics disrupt tissue polarity, architecture, and integrity and promote epithelial cell transformation and invasion (Fig. 4 B). Furthermore, abnormal ECM dynamics derail stromal cell behavior, leading to tumor-promoting angiogenesis and inflammation by endothelial cells and immune cells, respectively, both at the primary and metastatic sites. The resultant changes in the stromal components further exacerbate the tumorigenic microenvironment and facilitate the process of oncogenic transformation, tissue invasion, and metastasis during cancer initiation and progression (Fig. 4, C and D).

Եզրափակիչ դիտողություններ

From the initial belief that the intrinsic properties of cancer cells determine most major aspects of cancer initiation and progression, our understanding of cancer biology has taken remarkable strides. We now regard cancer as a heterogeneous disease not only in the sense that different molecular etiologies may underlie the same clinical outcome but also that multiple cell types, in addition to cancer cells, and noncellular components need to be mobilized and coordinated to support the survival, growth, and invasion of cancer cells. As a major component of the local niche, the ECM has emerged as an essential player at various stages of the carcinogenic process. Its functional diversity and dynamic nature, which allows the ECM to be an active participant in most major cell behavior and developmental processes, also makes it a necessary target whose deregulation may be a rate-limiting step in cancer progression.

An important area of future cancer research will be to determine whether abnormal ECM could be an effective cancer therapeutic target. To achieve this goal, we must understand how ECM composition and organization are normally maintained and regulated and how they may be deregulated in cancer. A daunting task in this regard will be to determine the kind of ECM changes that have causative effects on disease progression and how these changes of the ECM, alone or in combination, may affect cancer cells and cells in the stromal compartment. Additionally, with the growing documentation of the diverse functions of the ECM in development and cancer, a major challenge will be to understand the molecular basis of these functions, whether they involve only receptor signaling, rearrangements of the cytoskeleton, changes of gene expression, or other aspects of cell behavior, and how such changes are integrated with conventional signaling cascades that are known to play a role in these processes.

Abnormal ECM stiffness, as observed in tissue fibrosis, clearly plays an important role in cancer progression. However, we have only begun to decipher how different cell types respond to changes in ECM elasticity and which receptors detect the various types of physical force. It remains to be an important area of research to determine whether ECM elasticity may be restored to normal in cancer and how such a restoration may benefit treatment prognosis. ECM anomalies, including stiffness, have been associated with delivery and resistance of conventional drugs (Egeblad et al., 2010b). Indeed, a decrease in the fibroblast pool and thus the ECM improves drug uptake in the mouse (Loeffler et al., 2006 Olive et al., 2009). Therefore, targeting abnormal ECM may provide yet another effective avenue to combat the complicated illness that is cancer.


Adipose extracellular matrix remodelling in obesity and insulin resistance

The extracellular matrix (ECM) of adipose tissues undergoes constant remodelling to allow adipocytes and their precursor cells to change cell shape and function in adaptation to nutritional cues. Abnormal accumulation of ECM components and their modifiers in adipose tissues has been recently demonstrated to cause obesity-associated insulin resistance, a hallmark of type 2 diabetes. Integrins and other ECM receptors (e.g. CD44) that are expressed in adipose tissues have been shown to regulate insulin sensitivity. It is well understood that a hypoxic response is observed in adipose tissue expansion during obesity progression and that hypoxic response accelerates fibrosis and inflammation in white adipose tissues. The expansion of adipose tissues should require angiogenesis however, the excess deposition of ECM limits the angiogenic response of white adipose tissues in obesity. While recent studies have focused on the metabolic consequences and the mechanisms of adipose tissue expansion and remodelling, little attention has been paid to the role played by the interaction between peri-adipocyte ECM and their cognate cell surface receptors. This review will address what is currently known about the roles played by adipose ECM, their modifiers, and ECM receptors in obesity and insulin resistance. Understanding how excess ECM deposition in the adipose tissue deteriorates insulin sensitivity would provide us hints to develop a new therapeutic strategy for the treatment of insulin resistance and type 2 diabetes.

Հիմնաբառեր: Adipose tissue Extracellular matrix Fibrosis Insulin resistance Integrins.

Հեղինակային իրավունք © 2016 Elsevier Inc. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են:

Ֆիգուրներ

Adipose tissue remodelling during the…

Adipose tissue remodelling during the development of obesity. Adipose tissues undergo dramatic remodelling…

Proposed model for how the…

Proposed model for how the activation of ECM receptor pathway in the adipose…

Fibrotic and inflammatory white adipose…

Fibrotic and inflammatory white adipose tissue remodelling in crosstalk with the liver and…


Extracellular Matrix (ECM) Biology Laboratory

A major focus in our laboratory is extracellular matrix (ECM), and its role in innate immune inflammatory responses at mucosal surfaces. The ECM has a significant role in modulating the local inflammatory milieu, while its breakdown can present immune cells with endogenous danger signals to drive excessive immune responses. However, these events are poorly understood.

Our studies on lumican, one such ECM protein, shows that its expression increases in Crohn’s disease and mouse models of colitis. We found that a segment of the lumican protein interacts with toll-like receptor 4 on neutrophils and macrophages that regulates innate immune response and production of inflammatory cytokines. We developed mice deficient in lumican that show poor recovery from a chemically induced colitis. The function of lumican in inflammation may be a double-edged sword—needed for development of protective innate immunity but unrestricted can cause immune dysregulation and chronic inflammation.

We are currently investigating the molecular nature of lumican interactions with host immune functions and developing mimetic peptides and anti-lumican antibodies that could be ultimately used to modulate inflammation. Treatments using anti-TNF-α or other antibodies that block major components of the immune response may have harmful immunosuppressive effects.

Future treatment strategies based on lumican or other proteins of the ECM could become milder approaches to suppress localized inflammation. Recently, we have started investigating, biglycan another lumican-like ECM protein that is perceived as an endogenous danger signal in chronic inflammatory settings.

Our laboratory has examined differential gene expression patterns in Crohn’s disease and ulcerative colitis to establish signature expression patterns. A subset of these genes will be pursued in the future for elucidating pathogenesis of these two related inflammatory bowel diseases. 

Publications 

  1. Lawrance IC, Fiocchi C, Chakravarti S.  Gene expression profiling identifies distinctive disease signatures for ulcerative colitis and Crohn's disease. Hum Molec Genet. 2001 10:445-456.
  2. Lawrance IC, Wu F, Leite AZA, Willis J,West GA, Fiocchi C, Chakravarti S. A murine model of chronic inflammation-induced intestinal fibrosis down regulated by antisense NF-B. Գաստրոէնտերոլոգիա. 2003 125:1750-1761.
  3. Wu F, Dassopoulos T, Cope L, Brant SR, Harris M, Maitra M, Bayless TM, Parmigiani G,  Chakravarti S. Genome-wide gene expression differences between Crohn’s and ulcerative colitis from endoscopic pinch biopsies: insights into distinctive pathogenesis. Inflamm Bowel Diseases, 2007 13:807-821. PMID: 17262812.
  4. Wu F, Chakravarti S. Differential Expression of Inflammatory and Fibrogenic Genes and Their Regulation by NF-κB Inhibition in a Mouse Model of Chronic Colitis. J Իմունոլ. 2007 179:6988-7000. PMID: 17982090
  5. Wu F, Zikusoka M, Trindade A, Dassopoulos T, Harris ML, Bayless TM, Brant SR, Chakravarti S, Kwon JH. MicroRNAs are Differentially Expressed and Alter Expression of Macrophage Inflammatory Peptide-2alpha. Գաստրոէնտերոլոգիա. 2008 Nov 135:1624-1635. PMID: 18835392.
  6. Lee S, Bowrin K, Hamad AR, Chakravarti S. Extracellular matrix lumican deposited on the surface of neutrophils promotes migration by binding to 2 integrin. J Biol Chem. 2009 284:23662-9. PMID: 19531489 PMCID: 2749141.
  7. Lohr, K, Sardana, H, Lee, S, Wu, F, Huso, DL, Hamad, AR, Chakravarti, S. Extracellular matrix protein lumican regulates inflammation in a mouse model of colitis. Inflamm Bowel Diseases, 2011 Apr 11. doi: 10.1002/ibd.21713. [Epub տպագրությունից առաջ]: PMID: 21484968 PubMed Central PMCID: 3135758.
  8. Shao H, Lee S, Gae-Scott S, Nakata C, Chen S, Hamad AR, Chakravarti S. Extracellular matrix lumican promotes bacterial phagocytosis and Lum-/- mice show increased Pseudomonas aeruginosa lung infection severity. J Biol Chem. 2012 Aug 3. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 22865855 PMCID: 3476255.

For locations in Maryland

Phone Number: 410-933-7495

Fax Numbers:
Gastroenterology: 410-500-4267
Hepatology: 410-500-4257

For locations in the National Capital Region/Washington, DC

Phone Number: 202-660-5555

Fax Numbers:
Gastroenterology: 202-660-6103
Hepatology: 202-660-7359

Whether you're crossing the country or the globe, we make it easy to access world-class care at Johns Hopkins.


Studying Macrophages in vivo

Challenges

Many challenges still exist when investigating macrophage biology, both արհեստական ​​պայմաններում և in vivo. The inconsistent findings from many of the studies discussed here can potentially be attributed to differences in cell lines, surface chemistries, time points analyzed, and other variables, but nonetheless emphasize the important fact that commonly used macrophage cell lines and primary cells exhibit differing responses to identical stimuli, often making արհեստական ​​պայմաններում findings difficult to compare. This is true for both murine (4, 102, 103) and human (104, 105) cell sources. Additionally, there are many differences between human and murine macrophage biology, from surface marker expression to metabolic states, that can result in stark differences in functional output (106�). Species specificity of macrophage cell types and the presence or absence of serum factors from humans vs. other species used in արհեստական ​​պայմաններում studies may also limit the applicability to human biology and therapeutic strategies. Thus, further studies are required to delineate murine and human macrophage responses, not only in mechanical studies.

Additional challenges exist when identifying the activation state of a macrophage, especially in vivo. Traditionally, phenotypes are identified using immunohistochemistry and transcriptional profiling, however these techniques require multiple markers to confirm an activation state and are most useful in արհեստական ​​պայմաններում կամ ex vivo studies at end stage time points. There is a great need for techniques to identify phenotypes through protein expression in vivo. While the use of genetically encoded fluorescent proteins to readout macrophage activation is possible, the use of multiple markers to confirm macrophage identity and the unintended effects of introducing exogenous proteins limits feasibility. Another area of concern, particularly in studies investigating mechanical regulation of macrophages is the fact that macrophages respond differently to substrates in 2-D compared to 3-D. Currently, most studies are performed using 2-D methods to investigate migration and activation. There is a great need for more studies investigating macrophages in 3-D, especially in the context of cancer, as it is more representative of the environment macrophages naturally reside in. It is imperative to improve methods of investigating macrophages in their native environments so as to minimize variances that arise from culture and experimental conditions, and to best elucidate the impact of the ECM on macrophages.

Current Approaches

In order to observe macrophages in the tumor microenvironment, the field has recently turned to optical approaches such as positron emission tomography (PET), for example [reviewed extensively in (109)]. Rostam et al. have proposed image-based machine learning to identify phenotypes based on cellular morphology which, as described earlier, may provide some indication of phenotype (110). The availability of 3-D culture platforms to investigate macrophage–tumor cell interactions provide a tool kit to identify macrophage phenotype in more in vivo-like microenvironments (111�). Using these platforms, one can take advantage of pharmacologic and optogenetic approaches to manipulate adhesion receptor activation and downstream signaling pathways involved in macrophage responses to biophysical cues from the ECM (114�).

In addition to PET and single-photon emission computed tomography (SPECT) (109), another technique, intravital imaging, utilizes small implanted imaging windows paired with confocal or multiphoton microscopy to visualize the spatial organization of tumor and stromal cell populations (117, 118). Cell-type-specific expression of proteins that are genetically fused with fluorescent tags, such as GFP or mCherry, as well as the endogenously fluorescent metabolic cofactors FAD + and NADH (119) can be used to identify macrophage, tumor, and other cell types in the mouse (Figure 2). This technique has facilitated direct observation of macrophages interacting with and assisting tumor cells to intravasate into nearby vasculature, as well as tumor cell extravasation at distant metastatic sites (121, 122). While this approach provides detailed spatial and temporal resolution of cells in the TME, there is still a lack of validated signatures to fully identify and characterize macrophage phenotypes in vivo. One emerging signature of macrophage activation is the use of fluorescence lifetime. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) reports the time a fluorophore remains in the excited state before transitioning back to ground state, and differences in fluorescent lifetimes of NADH and FAD + can indicate whether the cofactors are free or protein bound. Changes in the relative concentrations of bound vs. free NADH and FAD + can provide information on metabolic states at the single cell level (123, 124). Within the TME, Szulczewski et al. demonstrated that stromal macrophages have a distinct NADH FLIM signature, allowing them to be distinguished from tumor cells (119). Along these lines, Alfonso-Garcia et al. show stark differences in the NADH fluorescence lifetime signatures in MLPS+IFNγ and MIL4+IL13 induced BMDMs արհեստական ​​պայմաններում (125), thus warranting further investigation into the use of FLIM to identify macrophage activation արհեստական ​​պայմաններում և in vivo. In addition to endogenous and genetically expressed fluorescence, ported mammary imaging windows that feature a needle inserted through the window base have been used to inject fluorescently conjugated antibodies. This methodology provides an opportunity for real-time visualization of the localization and relative abundance of cell type specific proteins, such as macrophage activation markers and integrins.

Նկար 2. Intravital imaging of mammary carcinoma in a MMTV-PyMT mouse. 2-photon scanning laser microscopy allows for the in vivo observation of tumor cells (high in NADH intensity, 780 nm excitation), collagen fibers through second harmonic generation (890 nm excitation), and (Ա) Macrophages expressing the fluorescent mCherry protein under the CSF1-R promotor (C57BL/6-Tg(Csf1r-HBEGF/mCherry)1Mnz/J X B6.129P2-Lyz2 tm1(cre)Ifo /J) (120) (1050nm excitation). (Բ) FAD HI cells which depict primarily macrophage stromal cells (119). (C) NADH fluorescence lifetime overlay on mask of mCherry+ cells (color map of NADH τm lifetime). (D) Insets depict mcherry + macrophages, which are FAD bright, spatially localized in the collagen rich stroma or within the tumor mass. Arrow indicates a macrophage spread in a collagen abundant region of the tumor stroma. Dashed outline depicts a macrophage elongated in an aligned region of collagen fibers at the boundary of a tumor nest.


Հիմնական կետերը

The bladder extracellular matrix (ECM) is in a dynamic conversation with its constituent cells through a variety of ECM receptors, which have crucial roles in proliferation, differentiation and homeostatic cell responses

The bladder ECM responds to strain injury or obstruction by increasing levels of matrix metalloproteinases, tissue inhibitors of metalloproteinases, collagen III, and many smaller components of the matrix

Alterations in ECM proteins can lead to changes in the stiffness of the matrix, which is a critical mediator of intracellular tension and cell behavior

Damaged matrix that results from bladder overdistention can cause long-lasting changes in smooth muscle cell behavior

Ascribing matrix changes to simple upregulation or downregulation of ECM gene expression neglects ECM alterations due to cross-linkages, proteolysis or glycosylation, which have a profound effect on distension and strength of the bladder wall


1.4 Conclusion

As addressed above, the ECM can regulate various fundamental cell functions. Thus, isolated ECM molecules have been utilized for medical, pharmaceutical, and tissue engineering applications. Today, there has been substantial progress in these fields. It is required to regulate cell functions more strongly and precisely, which increases the importance of the ECM. The ECM is composed of many components that regulate cell functions. The reconstitution of native ECM has been expected to strongly induce cell functions. Despite many efforts, it is difficult to reconstitute native ECM արհեստական ​​պայմաններում by conventional chemical and physical methods due to its compositional and structural complexity. Thus, the decellularization technique is attractive for reconstituting native ECM for various applications.

Additionally, researchers in ECM biology have concentrated on clarifying the effects of single ECM molecules on cell functions. For this purpose, substrates coated with single isolated ECM molecules, gene engineering techniques (knocked-in/knocked-out animals and cells), և այլն: have been used. 63,64 However, it is difficult to comprehensively understand the roles of ECM from these studies focusing on single ECM molecules. Արհեստական ​​պայմաններում ECM models mimicking native ECM will be a powerful tool. dECM is expected to be a suitable արհեստական ​​պայմաններում ECM model for comprehensive studies of the roles of ECM. 65 In this book, examples of the use of dECM for medical, pharmaceutical, and tissue engineering applications will be addressed after the explanation of its preparation (Part II), characterization (Part III), and modification and fabrication (Part IV). Additionally, some examples of dECM for ECM biology research will be introduced in Part V and Part VI.