Войти
Дуротаксис - это форма миграции клеток, при которой клетки управляются градиентами жесткости, возникающими из дифференциальные структурные свойства внеклеточного матрикса (ЕСМ). Большинство нормальных клеток мигрируют вверх по градиентам жесткости (в направлении большей жесткости).
Процесс дуротаксиса требует, чтобы клетка активно ощущала окружающую среду, обрабатывала механический стимул и выполняла ответ. Первоначально считалось, что это эмерджентное свойство многоклеточных животных, поскольку для этого явления требуется сложная сенсорная петля, которая зависит от коммуникации множества различных клеток. Однако по мере роста объема соответствующей научной литературы в конце 1980-х и на протяжении 1990-х годов стало очевидно, что отдельные клетки обладают способностью делать то же самое. Первые наблюдения за дуротаксисом в изолированных клетках показали, что механические стимулы могут вызывать инициирование и удлинение аксонов в сенсорных и мозговых нейронах цыплят и вызывать подвижность в ранее неподвижных эпидермальных кератоцитах рыб. Также было отмечено, что жесткость ECM влияет на жесткость цитоскелета, сборку фибрилл фибронектин, силу взаимодействий интегрин с цитоскелетом, морфологию и скорость подвижности, все из которых были известны влиять на миграцию клеток.
Используя информацию из предыдущих наблюдений, Ло и его коллеги сформулировали гипотезу о том, что отдельные клетки могут обнаруживать субстрат жесткость с помощью процесс активного тактильного исследования, при котором клетки проявляют сократительные силы и измеряют результирующую деформацию субстрата. Опираясь на свои собственные эксперименты, эта команда ввела термин «дуротаксис» в своей статье в Biophysical Journal в 2000 году. Более поздние исследования подтверждают предыдущие наблюдения и принцип дуротаксиса с продолжающимися доказательствами в пользу клеток. миграция вверх по градиентам жесткости и морфологические изменения, зависящие от жесткости
Жесткость ECM значительно различается для разных типов клеток; например, он варьируется от мягкого ECM ткани мозга до твердого кости или жесткой клеточной стенки растительных клеток. Эта разница в жесткости является результатом качественных и количественных биохимических свойств ЕСМ или, другими словами, концентрации и категорий различных макромолекул, которые образуют сеть ЕСМ. Хотя ЕСМ состоит из многих внутриклеточно синтезируемых компонентов, включая ряд гликозаминогликанов (ГАГ) и фиброзных белков, таких как фибронектин, ламинин, коллаген и эластин - именно последние два волокна имеют наибольшее влияние на определение механических свойств внеклеточного матрикса.
Коллаген представляет собой волокнистый белок, который придает ECM его предел прочности на разрыв или жесткость. Эластин - как следует из названия - это высокоэластичный белок, играющий важную роль в тканях, которые должны вернуться в исходное положение после деформации, например кожа, кровеносные сосуды. и легкие. Относительные концентрации этих двух основных детерминант, наряду с другими менее важными компонентами матрицы, определяют жесткость ЕСМ. Например, сообщалось, что концентрация коллагена коррелирует с жесткостью матрикса, как in vivo, так и in vitro (гели).
В биологических исследованиях жесткость (или жесткость) обычно измеряется с использованием модуля упругости, отношения напряжения к деформации вдоль оси в Паскалях. Таким образом, материал с высоким модулем Юнга очень жесткий. Самый точный и хорошо зарекомендовавший себя метод измерения модуля Юнга ткани основан на использовании инструментов, таких как датчик веса, которые непосредственно прикладывают механическую нагрузку и измеряют результирующую деформацию. Теперь модуль Юнга ткани можно легко и точно оценить без иссечения с помощью различных методов эластографии. Эти методы вызывают деформацию ткани и измеряют механические свойства, обычно с помощью ультразвука или магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Модуль Юнга неоднократно использовался для характеристики механические свойства многих тканей человеческого тела. Жесткость тканей животных варьируется на несколько порядков, например:
Обычно создаются матрицы различной жесткости для экспериментальных и терапевтических целей (например, коллагеновые матрицы для заживления ран). Дуротактические градиенты просто создаются путем создания двухмерных подложек из полимера (например, акриламида или полидиметилсилоксана ), в которых жесткость контролируется плотностью сшивки, которая, в свою очередь, регулируется концентрация сшивающего агента. Полимер должен быть покрыт материалом, к которому клетка может прилипать, таким как коллаген или фибронектин. Сами градиенты часто синтезируются в виде гидрогелей с использованием микрофлюидных генераторов градиентов с последующей фотополимеризацией.
Достижением этого метода является использование трехмерных матриц, которые могут направлять миграцию клеток в условиях, которые более соответствует естественной трехмерной среде клетки.
Местом контакта клетки с внеклеточным матриксом является фокальная адгезия, большая, динамический белковый комплекс, который соединяет цитоскелет с волокнами ECM через несколько организованных слоев взаимодействующих белков. Интегрины - это самые внешние белки, которые связываются непосредственно с лигандами ЕСМ. Однако фокальные адгезии - это не просто якоря - их белки играют важную роль в передаче сигналов. Эти белки, такие как киназа фокальной адгезии (FAK), талин, винкулин, паксиллин и α-актинин, взаимодействуют с малыми GTPases (Rho, Rac, Cdc42) и другими сигнальными путями, чтобы передавать даже небольшие изменения в жесткости матрикса и, следовательно, реагировать изменениями формы клеток, сократимости актомиозина и организации цитоскелета. В результате эти изменения могут заставить клетку перестроить свой цитоскелет, чтобы облегчить направленную миграцию.
Цитоскелет клетки представляет собой постоянно колеблющуюся сеть полимеров, организация которых во многом зависит от физического окружения клетки. На очаговые спайки клетка оказывает тяговое усилие. Другими словами, это тянет на ECM. Таким образом, клетка поддерживает механический гомеостаз между жесткостью ВКМ и натяжением цитоскелета через свои очаговые спайки. Этот гомеостаз является динамичным, поскольку фокальные адгезионные комплексы непрерывно конструируются, модифицируются и разбираются. Это приводит к изменениям в передаче сигнала и ответах нижестоящих клеток. Передача клеточных сигналов является продуктом как физических, так и биохимических свойств ECM, и взаимодействие между этими двумя путями имеет решающее значение для понимания клеточных ответов. Например, костный морфогенетический белок (BMP) - фактор роста - не может индуцировать остеогенез при недостаточном давлении цитоскелета.
Источником тракции цитоскелета является сократимость актомиозина. Повышенная внешняя жесткость приводит к каскаду передачи сигнала, который активирует малую GTPase Rho и Rho-ассоциированную киназу (ROCK). ROCK, в свою очередь, контролирует фосфорилирование легкой цепи миозина, событие, которое запускает активность миозиновой АТФазы и укорочение актиновых волокон, вызывая сокращение и растягивание ECM. Хотя точный путь, который связывает жесткость ECM с активностью ROCK, неизвестен, наблюдения увеличения тяги в ответ на повышенную жесткость ECM достаточно, чтобы объяснить феномен дуротаксиса. Более сильная механическая обратная связь будет тянуть клетку к более жесткой области и вызывать смещение в направленном движении, а также иметь другие последствия для цитоскелета и организации фокальной адгезии.
Следовательно, дуротаксис должен полагаться на непрерывное измерение жесткости ECM в пространстве и время в процессе, называемом механическим зондированием жесткости. Недавние исследования показали, что отдельные очаговые спайки не обязательно вызывают стабильные тяговые силы в ответ на неизменную жесткость внеклеточного матрикса. Фактически, в то время как некоторые отдельные фокальные спайки могут демонстрировать стабильные тяговые силы, другие демонстрируют тяговое усилие в виде повторяющегося цикла тяги и отпускания. Свойства фокальных спаек - стабильные или тянущие - не зависят от их соседей, и поэтому каждая фокальная адгезия действует автономно. Было показано, что такое тяговое усилие не требуется для других форм миграции клеток, таких как хемотаксис и гаптотаксис, но необходимо для дуротаксиса. Белки фокальной адгезии (FAK / паксиллин / винкулин) - и их взаимодействия, зависящие от фосфорилирования, а также их асимметричное распределение внутри клетки (то есть активация YAP и ядерная транслокация посредством pFAK, активируемого жесткостью) - необходимы для того, чтобы демонстрировать высокую тягу и тягу. тяга в широком диапазоне жесткости ECM. Более того, снижение напряжения фокальной адгезии путем переноса клеток в более мягкий ECM или путем ингибирования ROCK приводит к переключению фокальной адгезии из стабильного состояния в состояние тянущего усилия. Таким образом, механочувствительность жесткости позволяет клетке определять жесткость матрикса с разрешением по расстоянию фокальной адгезии внутри клетки (≈1-5 мкм).
Интеграция биохимических и механических сигналов может позволить точно настроить миграцию клеток. Однако физиологические причины дуротаксиса - и особенно тенденция клеток мигрировать вверх по градиентам жесткости - неизвестны.
Самый распространенный и точный современный метод измерения силы тяги, которую клетки оказывают на субстрат, основан на микроскопии силы тяги (TFM). Принцип, лежащий в основе этого метода, заключается в измерении деформации подложки путем расчета двухмерного смещения флуоресцентных шариков, встроенных в матрицу. TFM высокого разрешения позволяет анализировать тяговые силы на гораздо меньших структурах, таких как фокальные спайки, с пространственным разрешением ∼1 мкм.
Роль дуротаксиса в физиологических условиях остается неизвестным. Это может служить цели точной настройки двигательной реакции клетки на внеклеточные биохимические сигналы, хотя относительный вклад дуротаксиса в физиологической среде, где клетка подвергается другим налогам (например, хемотаксис ), неизвестен, и может фактически оказаться полностью незаменимым для миграции клеток in vivo. Это явление также может иметь значение при нескольких болезненных состояниях, которые включают жесткость тканей, как описано ниже.
Распространено наблюдение, что опухоли более жесткие, чем окружающие ткани, и даже служит основанием для рака груди самообследования. Фактически, ткань рака груди, как сообщается, в десять раз жестче, чем нормальная ткань. Кроме того, растущая и метастазирующая опухоль включает взаимодействие многих разных типов клеток, таких как фибробласты и эндотелиальные клетки, которые обладают разной жесткостью и могут приводить к локальным градиентам жесткости, которые направляют миграцию клеток. Появляется все больше доказательств того, что дуротаксис играет роль в раке метастазировании. Эксперименты на мышах продемонстрировали, что опухолевые клетки преимущественно проникают в прилегающую строму вдоль жестких коллагеновых волокон. Эти жесткие выравнивания коллагена можно использовать для определения очагов микроинвазии клеток опухоли груди. Беременность, которая имеет различные связи с заболеваемостью раком груди и прогнозом, включает послеродовую инволюцию груди, которая зависит от ремоделирования коллагена и воспаления, которое превращает эти волокна коллагена в более жесткие аналоги, тем самым устанавливая потенциальную связь между беременностью и метастатическими свойствами. Хотя некоторые исследования показывают, что более жесткие опухоли указывают на увеличение метастазов и снижение выживаемости (что противоречит концепции о том, что дуротактические клетки должны больше привлекаться к опухоли и меньше метастазировать), это не противоречит интуиции, поскольку коллаген-зависимая передача сигналов интегрина имеет широкий диапазон последствий, выходящих за рамки дуротаксиса, включая ингибирование опухолевого супрессора PTEN посредством активации miRNA miR-18a. Более того, есть свидетельства того, что повышенная жесткость опухоли действительно коррелирует со снижением метастазирования, как предполагает принцип дуротаксиса.
Фиброз печени - это накопление белков ЕСМ, например, коллаген, который встречается при многих хронических заболеваниях печени. Фактически было показано, что повышенная жесткость печени (имеющегося коллагена) предшествует фиброзу и необходима для активации фиброгенных миофибробластов. Фибробласты движутся к более жесткой ткани посредством дуротаксиса и, достигнув ее, будут дифференцироваться в фиброгенные миофибробласты. Эта порочная петля положительной обратной связи зависимого от дуротаксиса фиброза потенциально может быть терапевтической мишенью для предотвращения фиброза печени.
Схема образования атеросклеротической бляшки. Обратите внимание на синие гладкомышечные клетки сосудов, которые мигрируют из средней оболочки в интимную оболочку, где формируется жесткая бляшка. Патология атеросклероза в значительной степени зависит от миграции сосудов гладкомышечные клетки (VSMC) в слой tunica intima кровеносного сосуда, где они могут накапливать липиды, подвергаться некрозу и вырабатывать ECM (фиброз). Также было продемонстрировано, что миграция этих клеток зависит от жесткости, а жесткость матрикса дополнительно влияет на их пролиферацию в ответ на факторы роста.
Для описания дуротаксиса использовалось несколько математических моделей., в том числе:
СМИ, связанные с Durotaxis на Wik imedia Commons