La matriz extracelular
En biología, la matriz extracelular (ECM), también llamada matriz intercelular, es una red formada por macromoléculas y minerales extracelulares, como como colágeno, enzimas, glicoproteínas e hidroxiapatita que brindan soporte estructural y bioquímico a las células circundantes. Debido a que la multicelularidad evolucionó de manera independiente en diferentes linajes multicelulares, la composición de la MEC varía entre las estructuras multicelulares; sin embargo, la adhesión celular, la comunicación de célula a célula y la diferenciación son funciones comunes de la MEC.
La matriz extracelular animal incluye la matriz intersticial y la membrana basal. La matriz intersticial está presente entre varias células animales (es decir, en los espacios intercelulares). Geles de polisacáridos y proteínas fibrosas llenan el espacio intersticial y actúan como un amortiguador de compresión contra el estrés que se ejerce sobre la MEC. Las membranas basales son depósitos de ECM en forma de lámina sobre los que descansan varias células epiteliales. Cada tipo de tejido conectivo en los animales tiene un tipo de ECM: las fibras de colágeno y el mineral óseo comprenden la ECM del tejido óseo; las fibras reticulares y la sustancia fundamental comprenden la MEC del tejido conjuntivo laxo; y el plasma sanguíneo es la MEC de la sangre.
La MEC de la planta incluye componentes de la pared celular, como la celulosa, además de moléculas de señalización más complejas. Algunos organismos unicelulares adoptan biopelículas multicelulares en las que las células están incrustadas en una MEC compuesta principalmente por sustancias poliméricas extracelulares (EPS).
Estructura
Los componentes de la MEC son producidos intracelularmente por células residentes y secretados en la MEC a través de exocitosis. Una vez secretados, se agregan a la matriz existente. La ECM está compuesta por una malla entrelazada de proteínas fibrosas y glicosaminoglicanos (GAG).
Proteoglicanos
Los glicosaminoglicanos (GAG) son polímeros de carbohidratos y, en su mayoría, se unen a las proteínas de la matriz extracelular para formar proteoglicanos (el ácido hialurónico es una notable excepción; consulte a continuación). Los proteoglicanos tienen una carga negativa neta que atrae iones de sodio cargados positivamente (Na+), que atraen moléculas de agua a través de la ósmosis, manteniendo hidratadas la MEC y las células residentes. Los proteoglicanos también pueden ayudar a atrapar y almacenar factores de crecimiento dentro de la MEC.
A continuación se describen los diferentes tipos de proteoglicanos que se encuentran dentro de la matriz extracelular.
Sulfato de heparán
El sulfato de heparán (HS) es un polisacárido lineal que se encuentra en todos los tejidos animales. Ocurre como un proteoglicano (PG) en el que dos o tres cadenas HS están unidas muy cerca de la superficie celular o proteínas de la MEC. Es de esta forma que el HS se une a una variedad de ligandos de proteínas y regula una amplia variedad de actividades biológicas, incluidos los procesos de desarrollo, la angiogénesis, la coagulación de la sangre y la metástasis tumoral.
En la matriz extracelular, especialmente en las membranas basales, las proteínas multidominio perlecan, agrin y colágeno XVIII son las principales proteínas a las que se une el heparán sulfato.
Condroitín sulfato
Los sulfatos de condroitina contribuyen a la resistencia a la tracción del cartílago, los tendones, los ligamentos y las paredes de la aorta. También se sabe que afectan la neuroplasticidad.
Sulfato de queratán
Los sulfatos de queratán tienen un contenido de sulfato variable y, a diferencia de muchos otros GAG, no contienen ácido urónico. Están presentes en la córnea, el cartílago, los huesos y los cuernos de los animales.
Polisacárido no proteoglicano
Ácido hialurónico
El ácido hialurónico (o "hialuronano") es un polisacárido que consta de residuos alternos de ácido D-glucurónico y N-acetilglucosamina y, a diferencia de otros GAG, no se encuentra como proteoglicano. El ácido hialurónico en el espacio extracelular confiere a los tejidos la capacidad de resistir la compresión al proporcionar una fuerza de turgencia (hinchazón) que contrarresta la absorción de cantidades significativas de agua. Por lo tanto, el ácido hialurónico se encuentra en abundancia en la MEC de las articulaciones de carga. También es un componente principal del gel intersticial. El ácido hialurónico se encuentra en la superficie interna de la membrana celular y se transloca fuera de la célula durante la biosíntesis.
El ácido hialurónico actúa como una señal ambiental que regula el comportamiento celular durante el desarrollo embrionario, los procesos de curación, la inflamación y el desarrollo de tumores. Interactúa con un receptor transmembrana específico, CD44.
Proteínas
Colágeno
Los colágenos son la proteína más abundante en la MEC. De hecho, el colágeno es la proteína más abundante en el cuerpo humano y representa el 90% del contenido de proteínas de la matriz ósea. Los colágenos están presentes en la MEC como proteínas fibrilares y dan soporte estructural a las células residentes. El colágeno se exocita en forma de precursor (procolágeno), que luego se escinde mediante proteasas de procolágeno para permitir el ensamblaje extracelular. Los trastornos como el síndrome de Ehlers Danlos, la osteogénesis imperfecta y la epidermólisis ampollosa están relacionados con defectos genéticos en los genes que codifican el colágeno. El colágeno se puede dividir en varias familias según los tipos de estructura que forman:
- Fibrillar (Tipo I, II, III, V, XI)
- Facit (Type IX, XII, XIV)
- Cadena corta (Tipo VIII, X)
- Membrana de base (Tipo IV)
- Otros (Tipo VI, VII, XIII)
Elastina
Las elastinas, a diferencia de los colágenos, otorgan elasticidad a los tejidos, permitiéndoles estirarse cuando sea necesario para luego volver a su estado original. Esto es útil en los vasos sanguíneos, los pulmones, la piel y el ligamento nucal, y estos tejidos contienen altas cantidades de elastinas. Las elastinas son sintetizadas por fibroblastos y células musculares lisas. Las elastinas son muy insolubles y las tropoelastinas se secretan dentro de una molécula chaperona, que libera la molécula precursora al entrar en contacto con una fibra de elastina madura. A continuación, las tropoelastinas se desaminan para incorporarse a la hebra de elastina. Los trastornos como la cutis laxa y el síndrome de Williams se asocian con fibras de elastina deficientes o ausentes en la MEC.
Vesículas extracelulares
En 2016, Huleihel et al. informaron la presencia de ADN, ARN y nanovesículas unidas a la matriz (MBV) dentro de bioandamios ECM. Se encontró que la forma y el tamaño de los MBV eran consistentes con los exosomas descritos anteriormente. La carga de MBV incluye diferentes moléculas de proteínas, lípidos, ADN, fragmentos y miARN. Al igual que los bioandamios de ECM, los MBV pueden modificar el estado de activación de los macrófagos y alterar diferentes propiedades celulares, como; proliferación, migración y ciclo celular. Ahora se cree que los MBV son un componente clave integral y funcional de los bioandamios ECM.
Proteínas de adhesión celular
Fibronectina
Las fibronectinas son glicoproteínas que conectan las células con las fibras de colágeno en la MEC, lo que permite que las células se muevan a través de la MEC. Las fibronectinas se unen al colágeno y a las integrinas de la superficie celular, lo que provoca una reorganización del citoesqueleto celular para facilitar el movimiento celular. Las fibronectinas son secretadas por las células en forma desplegada e inactiva. La unión a las integrinas despliega las moléculas de fibronectina, lo que les permite formar dímeros para que puedan funcionar correctamente. Las fibronectinas también ayudan en el sitio de la lesión tisular al unirse a las plaquetas durante la coagulación de la sangre y facilitar el movimiento de las células al área afectada durante la cicatrización de la herida.
Laminina
Las lamininas son proteínas que se encuentran en las láminas basales de prácticamente todos los animales. En lugar de formar fibras similares al colágeno, las lamininas forman redes de estructuras similares a redes que resisten las fuerzas de tracción en la lámina basal. También ayudan en la adhesión celular. Las lamininas se unen a otros componentes de la MEC, como colágenos y nidógenos.
Desarrollo
Hay muchos tipos de células que contribuyen al desarrollo de los diversos tipos de matriz extracelular que se encuentran en la plétora de tipos de tejidos. Los componentes locales de la MEC determinan las propiedades del tejido conjuntivo.
Los fibroblastos son el tipo de célula más común en la MEC del tejido conjuntivo, en la que sintetizan, mantienen y proporcionan un marco estructural; Los fibroblastos secretan los componentes precursores de la MEC, incluida la sustancia fundamental. Los condrocitos se encuentran en el cartílago y producen la matriz cartilaginosa. Los osteoblastos son responsables de la formación de hueso.
Fisiología
Rigidez y elasticidad
La ECM puede existir en diversos grados de rigidez y elasticidad, desde tejidos cerebrales blandos hasta tejidos óseos duros. La elasticidad de la ECM puede diferir en varios órdenes de magnitud. Esta propiedad depende principalmente de las concentraciones de colágeno y elastina, y recientemente se ha demostrado que desempeña un papel influyente en la regulación de numerosas funciones celulares.
Las células pueden sentir las propiedades mecánicas de su entorno aplicando fuerzas y midiendo la reacción resultante. Esto juega un papel importante porque ayuda a regular muchos procesos celulares importantes, incluida la contracción celular, la migración celular, la proliferación celular, la diferenciación y la muerte celular (apoptosis). La inhibición de la miosina II no muscular bloquea la mayoría de estos efectos, lo que indica que, de hecho, están relacionados con la detección de las propiedades mecánicas de la MEC, que se ha convertido en un nuevo foco de investigación durante la última década.
Efecto sobre la expresión génica
Las diferentes propiedades mecánicas en la ECM ejercen efectos tanto en el comportamiento celular como en la expresión génica. Aunque el mecanismo por el cual esto se hace no se ha explicado a fondo, se cree que los complejos de adhesión y el citoesqueleto de actina-miosina, cuyas fuerzas contráctiles se transmiten a través de estructuras transcelulares, juegan un papel clave en las vías moleculares aún por descubrir.
Efecto sobre la diferenciación
La elasticidad de la ECM puede dirigir la diferenciación celular, el proceso por el cual una célula cambia de un tipo celular a otro. En particular, se ha demostrado que las células madre mesenquimales (MSC) ingenuas especifican el linaje y se comprometen con fenotipos con una sensibilidad extrema a la elasticidad a nivel de tejido. Las MSC colocadas en matrices blandas que imitan el cerebro se diferencian en células similares a neuronas, que muestran una forma, perfiles de ARNi, marcadores citoesqueléticos y niveles de factores de transcripción similares. De manera similar, las matrices más rígidas que imitan al músculo son miogénicas, y las matrices con rigidez que imitan al hueso colagenoso son osteogénicas.
Durotaxis
La rigidez y la elasticidad también guían la migración celular, este proceso se denomina durotaxis. El término fue acuñado por Lo CM y sus colegas cuando descubrieron la tendencia de las células individuales a migrar hacia gradientes de rigidez (hacia sustratos más rígidos) y ha sido ampliamente estudiado desde entonces. Se cree que los mecanismos moleculares detrás de la durotaxis existen principalmente en la adhesión focal, un gran complejo proteico que actúa como el sitio principal de contacto entre la célula y la MEC. Este complejo contiene muchas proteínas que son esenciales para la durotaxis, incluidas proteínas de anclaje estructural (integrinas) y proteínas de señalización (quinasa de adhesión (FAK), talina, vinculina, paxilina, α-actinina, GTPasas, etc.) que provocan cambios en la forma celular y la contractilidad de la actomiosina.. Se cree que estos cambios provocan reordenamientos del citoesqueleto para facilitar la migración direccional.
Función
Debido a su diversa naturaleza y composición, la MEC puede cumplir muchas funciones, como brindar apoyo, segregar tejidos entre sí y regular la comunicación intercelular. La matriz extracelular regula el comportamiento dinámico de una célula. Además, secuestra una amplia gama de factores de crecimiento celular y actúa como un almacén local para ellos. Los cambios en las condiciones fisiológicas pueden desencadenar actividades de proteasa que provocan la liberación local de dichos depósitos. Esto permite la activación rápida y local de las funciones celulares mediada por el factor de crecimiento sin síntesis de novo.
La formación de la matriz extracelular es esencial para procesos como el crecimiento, la cicatrización de heridas y la fibrosis. La comprensión de la estructura y composición de la MEC también ayuda a comprender la compleja dinámica de la invasión tumoral y la metástasis en la biología del cáncer, ya que la metástasis a menudo implica la destrucción de la matriz extracelular por enzimas como las serina proteasas, las treonina proteasas y las metaloproteinasas de matriz.
La rigidez y elasticidad de la MEC tiene implicaciones importantes en la migración celular, la expresión génica y la diferenciación. Las células detectan activamente la rigidez de la ECM y migran preferentemente hacia superficies más rígidas en un fenómeno llamado durotaxis. También detectan la elasticidad y ajustan su expresión génica en consecuencia, lo que se ha convertido cada vez más en un tema de investigación debido a su impacto en la diferenciación y la progresión del cáncer.
En el cerebro, donde el hialuronano es el componente principal de la MEC, la matriz muestra propiedades tanto estructurales como de señalización. El hialuronano de alto peso molecular actúa como una barrera de difusión que puede modular la difusión en el espacio extracelular localmente. Tras la degradación de la matriz, los fragmentos de hialuronano se liberan al espacio extracelular, donde funcionan como moléculas proinflamatorias, orquestando la respuesta de las células inmunitarias, como la microglía.
Adherencia celular
Muchas células se unen a componentes de la matriz extracelular. La adhesión celular puede ocurrir de dos maneras; por adherencias focales, que conectan la MEC a los filamentos de actina de la célula, y hemidesmosomas, que conectan la MEC a filamentos intermedios como la queratina. Esta adhesión de célula a ECM está regulada por moléculas de adhesión celular (CAM) específicas de la superficie celular conocidas como integrinas. Las integrinas son proteínas de la superficie celular que unen las células a las estructuras de la MEC, como la fibronectina y la laminina, y también a las proteínas integrinas de la superficie de otras células.
Las fibronectinas se unen a las macromoléculas de la MEC y facilitan su unión a las integrinas transmembrana. La unión de la fibronectina al dominio extracelular inicia vías de señalización intracelular así como la asociación con el citoesqueleto celular a través de un conjunto de moléculas adaptadoras como la actina.
Importancia clínica
Se ha descubierto que la matriz extracelular provoca la regeneración y la curación del tejido. Aunque aún se desconoce el mecanismo de acción por el cual la matriz extracelular promueve la remodelación constructiva del tejido, los investigadores ahora creen que las nanovesículas unidas a la matriz (MBV) son un actor clave en el proceso de curación. En los fetos humanos, por ejemplo, la matriz extracelular trabaja con células madre para crecer y regenerar todas las partes del cuerpo humano, y los fetos pueden regenerar cualquier cosa que se dañe en el útero. Los científicos han creído durante mucho tiempo que la matriz deja de funcionar después del desarrollo completo. Se ha utilizado en el pasado para ayudar a los caballos a sanar los ligamentos desgarrados, pero se está investigando más como un dispositivo para la regeneración de tejidos en humanos.
En términos de reparación de lesiones e ingeniería de tejidos, la matriz extracelular tiene dos propósitos principales. En primer lugar, evita que el sistema inmunitario se active a partir de la lesión y responda con inflamación y tejido cicatricial. Luego, facilita que las células circundantes reparen el tejido en lugar de formar tejido cicatricial.
Para aplicaciones médicas, la ECM requerida generalmente se extrae de vejigas de cerdo, una fuente de fácil acceso y relativamente poco utilizada. Actualmente se usa regularmente para tratar úlceras al cerrar el orificio en el tejido que recubre el estómago, pero muchas universidades y el gobierno de los EE. UU. están realizando más investigaciones para aplicaciones de soldados heridos. A principios de 2007, se estaban realizando pruebas en una base militar en Texas. Los científicos están utilizando una forma en polvo en los veteranos de la guerra de Irak cuyas manos resultaron dañadas en la guerra.
No todos los dispositivos ECM provienen de la vejiga. La matriz extracelular procedente de la submucosa del intestino delgado del cerdo se está utilizando para reparar "defectos del tabique auricular" (TEA), "agujero oval permeable" (FOP) y hernia inguinal. Después de un año, el 95% del colágeno ECM en estos parches es reemplazado por el tejido blando normal del corazón.
Las proteínas de matriz extracelular se usan comúnmente en sistemas de cultivo celular para mantener las células madre y precursoras en un estado indiferenciado durante el cultivo celular y funcionan para inducir la diferenciación de células epiteliales, endoteliales y de músculo liso in vitro. Las proteínas de la matriz extracelular también se pueden utilizar para apoyar el cultivo de células 3D in vitro para modelar el desarrollo de tumores.
Una clase de biomateriales derivados del procesamiento de tejidos humanos o animales para retener porciones de la matriz extracelular se denominan biomateriales ECM.
En plantas
Las células vegetales se teselan para formar tejidos. La pared celular es la estructura relativamente rígida que rodea la célula vegetal. La pared celular proporciona fuerza lateral para resistir la presión de turgencia osmótica, pero es lo suficientemente flexible para permitir el crecimiento celular cuando sea necesario; también sirve como medio para la comunicación intercelular. La pared celular comprende múltiples capas laminadas de microfibrillas de celulosa incrustadas en una matriz de glicoproteínas, que incluyen hemicelulosa, pectina y extensina. Los componentes de la matriz de glicoproteína ayudan a que las paredes celulares de las células vegetales adyacentes se unan entre sí. La permeabilidad selectiva de la pared celular se rige principalmente por pectinas en la matriz de glicoproteínas. Los plasmodesmos (singular: plasmodesma) son poros que atraviesan las paredes celulares de las células vegetales adyacentes. Estos canales están estrictamente regulados y permiten selectivamente el paso de moléculas de tamaños específicos entre las células.
En Pluriformes y Filozoos
La funcionalidad de la matriz extracelular de los animales (Metazoa) se desarrolló en el ancestro común de Pluriformea y Filozoa, después de la divergencia de Ichthyosporea.
Historia
Hace tiempo que se reconoce la importancia de la matriz extracelular (Lewis, 1922), pero el uso del término es más reciente (Gospodarowicz et al., 1979).
Contenido relacionado
Ley de Fick
Presión oncótica
Sinapsis química
Presión osmótica
Neuropil