Durotaxis

La durotaxis es una forma de migración celular en la que las células se guían por gradientes de rigidez, que surgen de propiedades estructurales diferenciales de la matriz extracelular (MEC). La mayoría de las células normales migran hacia arriba en gradientes de rigidez (en la dirección de mayor rigidez).

Historia de la investigación de la durotaxis

El proceso de durotaxis requiere que una célula detecte activamente el entorno, procese el estímulo mecánico y ejecute una respuesta. Originalmente, se creía que se trataba de una propiedad emergente de los metazoos, ya que el fenómeno requiere un circuito sensorial complejo que depende de la comunicación de muchas células diferentes. Sin embargo, a medida que la riqueza de la literatura científica relevante creció a finales de los años 1980 y a lo largo de los años 1990, se hizo evidente que las células individuales poseen la capacidad de hacer lo mismo. Las primeras observaciones de durotaxis en células aisladas fueron que los estímulos mecánicos podían provocar la iniciación y el alargamiento de los axones en las neuronas sensoriales y cerebrales de los polluelos e inducir la motilidad en los queratocitos epidérmicos de peces previamente estacionarios. También se observó que la rigidez de la ECM influye en la rigidez del citoesqueleto, el ensamblaje de fibrillas de fibronectina, la fuerza de las interacciones integrina-citoesquelético, la morfología y la tasa de motilidad, todos los cuales se sabe que influyen en la migración celular.

Con información de las observaciones anteriores, Lo y sus colegas formularon la hipótesis de que las células individuales pueden detectar la rigidez del sustrato mediante un proceso de exploración táctil activa en el que las células ejercen fuerzas contráctiles y miden la deformación resultante en el sustrato. Con el apoyo de sus propios experimentos, este equipo acuñó el término "durotaxis" en su artículo en el Biophysical Journal en el año 2000. Investigaciones más recientes respaldan las observaciones anteriores y el principio de durotaxis, con evidencia continua de migración celular ascendente en gradientes de rigidez y cambios morfológicos dependientes de la rigidez.

Rigidez del sustrato

La rigidez de la ECM es significativamente diferente entre los tipos de células; por ejemplo, abarca desde la ECM blanda del tejido cerebral hasta la del hueso rígido o la pared celular rígida de las células vegetales. Esta diferencia de rigidez es el resultado de las propiedades bioquímicas cualitativas y cuantitativas de la ECM o, en otras palabras, de la concentración y categorías de las diversas macromoléculas que forman la red de la ECM. Aunque la MEC está compuesta por muchos componentes sintetizados intracelularmente, incluidos varios glicosaminoglicanos (GAG) y proteínas fibrosas como la fibronectina, laminina, colágeno y elastina, son estas dos últimas fibras las que tienen mayor influencia a la hora de definir las propiedades mecánicas de la ECM. el ECM.

El colágeno es la proteína fibrosa que le da a la MEC su resistencia a la tracción o rigidez. La elastina, como su nombre indica, es una proteína altamente elástica con un papel importante en los tejidos que necesitan volver a sus posiciones originales después de la deformación, como la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones. Las concentraciones relativas de estos dos determinantes principales, junto con otros componentes de la matriz menos influyentes, determinan la rigidez del MCE. Por ejemplo, se ha informado que la concentración de colágeno está correlacionada con la rigidez de la matriz, tanto in vivo como in vitro (geles).

Medición de la rigidez

En la investigación biológica, la rigidez se mide comúnmente utilizando el módulo de elasticidad de Young, la relación entre tensión y deformación a lo largo de un eje, en Pascales. Por tanto, un material con un módulo de Young alto es muy rígido. El método más preciso y bien establecido para medir el módulo de Young de un tejido se basa en instrumentos, como el dispositivo de celda de carga Instron, que aplica directamente una carga mecánica y mide la deformación resultante. Ahora, el módulo de Young de un tejido se puede estimar de manera fácil y precisa sin escisión utilizando una variedad de técnicas de elastografía. Estos métodos inducen distorsión en el tejido y miden las propiedades mecánicas, generalmente con ultrasonido o resonancia magnética (MRI).

El módulo de Young se ha utilizado repetidamente para caracterizar las propiedades mecánicas de muchos tejidos del cuerpo humano. La rigidez de los tejidos animales varía en varios órdenes de magnitud, por ejemplo:

• Cartilaje articular Bovine - 950 kPa
• Musculo esquelético del ratón - 12 kPa
• Lima de cerdo de Guinea - 5-6 kPa
• hígado fibroso humano - 1,6 kPa, hígado humano sano 640 Pa
• Cerebro cerdo - 260-490 Pa

Sintetizando rigidez variable

Las matrices de rigidez variable se diseñan habitualmente con fines experimentales y terapéuticos (por ejemplo, matrices de colágeno para la cicatrización de heridas). Los gradientes durotácticos se obtienen simplemente creando sustratos bidimensionales a partir de polímero (por ejemplo, acrilamida o polidimetilsiloxano) en los que la rigidez se controla mediante la densidad de reticulación, que a su vez está controlada por la concentración de reticulado. El polímero debe estar recubierto con un material al que la célula pueda adherirse, como colágeno o fibronectina. Los propios gradientes a menudo se sintetizan como hidrogeles utilizando generadores de gradientes de microfluidos seguidos de fotopolimerización.

Un avance de esta técnica es el uso de matrices 3D, que son capaces de guiar la migración celular en condiciones que se relacionan más con el entorno tridimensional natural de la célula.

El sitio de contacto celular con la matriz extracelular es la adhesión focal, un complejo proteico grande y dinámico que conecta el citoesqueleto con las fibras de la MEC a través de varias capas organizadas de proteínas que interactúan. Las integrinas son las proteínas más externas y las que se unen directamente a los ligandos de la ECM. Sin embargo, las adherencias focales son mucho más que simples anclajes: sus proteínas desempeñan muchas funciones en la señalización. Estas proteínas, como la quinasa de adhesión focal (FAK), talina, vinculina, paxilina y α-actinina, interactúan con pequeñas GTPasas (Rho, Rac, Cdc42) y otras vías de señalización para transmitir incluso pequeños cambios en la rigidez de la matriz y, en consecuencia, responden con cambios en la forma celular, la contractilidad de la actomiosina y la organización del citoesqueleto. Como resultado, estos cambios pueden hacer que una célula reorganice su citoesqueleto para facilitar la migración direccional.

El citoesqueleto de una célula es una red de polímeros en constante fluctuación cuya organización depende en gran medida del entorno físico de la célula. En las adherencias focales, una célula ejerce una fuerza de tracción. En otras palabras, tira del ECM. Por tanto, la célula mantiene una homeostasis mecánica entre la rigidez de la MEC y la tensión citoesquelética a través de sus adherencias focales. Esta homeostasis es dinámica, ya que los complejos de adhesión focal se construyen, remodelan y desmontan continuamente. Esto conduce a cambios en la transducción de señales y en las respuestas celulares posteriores. La señalización celular es producto de las propiedades físicas y bioquímicas de la ECM y la interacción entre estas dos vías es crucial para comprender las respuestas celulares. Por ejemplo, la proteína morfogenética ósea (BMP), un factor de crecimiento, no puede inducir la osteogénesis bajo una tensión citoesquelética insuficiente.

La fuente de la tracción citoesquelética es la contractilidad de la actomiosina. El aumento de la rigidez externa conduce a una cascada de transducción de señales que activa la pequeña GTPasa Rho y la quinasa asociada a Rho (ROCK). ROCK, a su vez, controla la fosforilación de la cadena ligera de miosina, un evento que desencadena la actividad de la miosina ATPasa y el acortamiento de las fibras de actina, lo que provoca contracción y tracción de la MEC. Aunque se desconoce la vía precisa que conecta la rigidez de la ECM con la actividad de las ROCAS, la observación de un aumento de tracción en respuesta al aumento de la rigidez de la ECM es suficiente para explicar el fenómeno de la durotaxis. La retroalimentación mecánica más fuerte empujaría a la célula hacia la región más rígida y provocaría un sesgo en el movimiento direccional y tendría otras consecuencias en la organización de adhesión focal y del citoesqueleto.

En consecuencia, la durotaxis debe basarse en un muestreo continuo de la rigidez del ECM en el espacio y el tiempo en un proceso llamado mecanodetección de rigidez. Investigaciones recientes han revelado que las adherencias focales individuales no necesariamente ejercen fuerzas de tracción estables en respuesta a la rigidez invariable de la ECM. De hecho, mientras que algunas adherencias focales individuales pueden mostrar fuerzas de tracción estables, otras exhiben tracción de tracción en forma de un ciclo repetido de tracción y liberación. Las propiedades de las adherencias focales, ya sean estables o de tracción, son independientes de las de sus vecinas y, como tales, cada adhesión focal actúa de forma autónoma. Se ha demostrado que esta tracción de tracción es prescindible para otras formas de migración celular, como la quimiotaxis y la haptotaxis, pero es necesaria para la durotaxis. Las proteínas de adhesión focal (FAK/paxilina/vinculina), y sus interacciones dependientes de la fosforilación, así como su distribución asimétrica dentro de la célula (es decir, activación de YAP y translocación nuclear a través de pFAK activada por rigidez), son necesarias para exhibir una alta tracción y tirón. tracción en una amplia gama de rigideces de ECM. Además, una reducción en la tensión de adhesión focal al transferir células a una ECM más blanda o al inhibir ROCK da como resultado que la adhesión focal cambie de estados estables a estados de tracción. Por lo tanto, la mecanodetección de rigidez permite que una celda muestree la rigidez de la matriz con la resolución del espaciado de adhesión focal dentro de una celda (≈1-5μm).

La integración de señales bioquímicas y mecánicas puede permitir ajustar la migración celular. Sin embargo, se desconoce el razonamiento fisiológico detrás de la durotaxis, y específicamente la tendencia de las células a migrar gradientes de rigidez.

Medición de tracción

El método moderno más frecuente y preciso para medir las fuerzas de tracción que las células ejercen sobre el sustrato se basa en la microscopía de fuerza de tracción (TFM). El principio detrás de este método es medir la deformación en el sustrato calculando el desplazamiento bidimensional de perlas fluorescentes incrustadas en la matriz. El TFM de alta resolución permite el análisis de fuerzas de tracción en estructuras mucho más pequeñas, como adherencias focales, con una resolución espacial de ~1 μm.

Importancia clínica

Aún se desconoce el papel de la durotaxis en condiciones fisiológicas. Puede servir para ajustar la respuesta de movimiento de una célula a señales bioquímicas extracelulares, aunque se desconoce la contribución relativa de la durotaxis en un entorno fisiológico en el que una célula está sujeta a otros impuestos (por ejemplo, quimiotaxis), y de hecho puede resultar útil. ser totalmente prescindible para la migración celular in vivo. El fenómeno también podría tener un papel en varios estados patológicos que incluyen el endurecimiento de los tejidos, como se describe a continuación.

Cáncer

Es una observación común que los tumores son más rígidos que el tejido circundante, e incluso sirve como base para el autoexamen del cáncer de mama. De hecho, se ha informado que el tejido del cáncer de mama es hasta diez veces más rígido que el tejido normal. Además, un tumor en crecimiento y en metástasis implica la cooperación de muchos tipos de células diferentes, como fibroblastos y células endoteliales, que poseen diferentes rigideces y podrían dar como resultado gradientes de rigidez locales que guían la migración celular. Cada vez hay más pruebas de que la durotaxis desempeña un papel en la metástasis del cáncer. Experimentos en ratones han demostrado que las células tumorales invaden preferentemente el estroma adyacente a lo largo de fibras rígidas de colágeno. Estas alineaciones rígidas de colágeno se pueden utilizar para identificar sitios focales de microinvasión de células tumorales de mama. El embarazo, que tiene varios vínculos con la incidencia y el pronóstico del cáncer de mama, implica la involución mamaria posparto que depende de la remodelación del colágeno y la inflamación que convierte estas fibras de colágeno en contrapartes más rígidas, estableciendo así un vínculo potencial entre el embarazo y las propiedades metastásicas. Aunque algunas investigaciones muestran que los tumores más rígidos son indicativos de una mayor metástasis y una menor supervivencia (lo que contradice el concepto de que las células durotácticas deberían sentirse más atraídas por el tumor y metastatizar menos), esto no es contrario a la intuición porque la señalización de las integrinas dependientes de colágeno tiene un amplio rango. de consecuencias más allá de la durotaxis, incluida la inhibición del supresor de tumores PTEN mediante la regulación positiva del miARN miR-18a. Además, existe evidencia de que una mayor rigidez tumoral de hecho se correlaciona con una disminución de la metástasis, como sugeriría el principio de durotaxis.

Fibrosis hepática

La fibrosis del hígado es la acumulación de proteínas de la MEC, como el colágeno, que se produce en muchas enfermedades hepáticas crónicas. De hecho, se ha demostrado que el aumento de la rigidez del hígado (del colágeno existente) precede a la fibrosis y es necesario para la activación de los miofibroblastos fibrogénicos. Los fibroblastos se mueven hacia el tejido más rígido mediante durotaxis y, al alcanzarlo, se diferenciarán en miofibroblastos fibrogénicos. Este círculo vicioso de retroalimentación positiva de la fibrosis dependiente de durotaxis podría ser potencialmente un objetivo terapéutico para la prevención de la fibrosis hepática.

Aterosclerosis

La patología de la aterosclerosis depende en gran medida de la migración de las células del músculo liso vascular (VSMC) hacia la capa íntima del vaso sanguíneo, donde pueden acumular lípidos, sufrir necrosis y elaborar la MEC (fibrosis). También se ha demostrado que la migración de estas células depende de la rigidez, y la rigidez de la matriz afecta aún más su proliferación en respuesta a factores de crecimiento.

Modelos matemáticos

Se han utilizado varios modelos matemáticos para describir la durotaxis, entre ellos:

• Un modelo 2-dimensional basado en la ecuación Langevin, modificado para incluir las propiedades mecánicas locales de la matriz.
• Un modelo basado en la descripción de la durataxis como un fenómeno de estabilidad elástica donde el citoesqueleto se modela como un sistema plano de elementos de línea elástica pretensada que representan fibras de estrés actina.
• Un modelo donde la persistencia mediada rígida tiene la forma de la ecuación Fokker-Planck.
• Un modelo en el que la persistencia mediada se endurecetaxis.