معلومة

كيف تصور ECM؟

كيف تصور ECM؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

على وجه التحديد ، أود أن ألقي نظرة على التغييرات في إنتاج HA (حمض الهيالورونيك). غالبًا ما ترى الأشخاص فقط يلونون سطح الخلية أو يزيلون الخلايا من المزرعة للتثبيت ثم التصوير. هل يعرف أي شخص كيفية تحليل ECM (المصفوفة خارج الخلية) والبروتيوغليكان الذي يحيط بالخلية إذا كنت تبحث لمعرفة ما إذا كانت الحالة قد تغير الطريقة التي تعيد بها الخلية تشكيل ECM؟ هل من الممكن حتى مع بعض بطاقات الفلورسنت؟


يمكن تلطيخ المكونات المختلفة لـ ECM بشكل مختلف ، ولكن بما أنك سألت عن حمض الهيالورونيك (HA) ، فسوف أقصر إجابتي على تلطيخها.

انظر هذه الورقة. يستخدمون Hyaluran Binding Protein (HABP) كمسبار محدد لـ HA.

نظرًا لأن HA له تركيبة بسيطة جدًا ومحفوظة ويتم التعبير عنها في كل مكان في جميع الحيوانات التي لديها استجابة مناعية متطورة ، فإن HA ليس مناعياً. لذلك ، لا توجد أجسام مضادة تتعرف بشكل خاص على HA ، ولا يمكن استخدام طرق الكيمياء المناعية التقليدية للكشف عن HA. لحسن الحظ ، تم عزل بروتين محدد للغاية وملزم بشدة ، وهو بروتين رابط الهيالورونان (HABP) ، والذي يتكون من مجال ربط HA مع وحدة الارتباط من aggrecan ، (Hascall and Heinegård 1974 ؛ Tengblad 1979) وتم تكييفه كمسبار HA (ريبيلينو وآخرون ، 1985). يستخدم HABP الآن على نطاق واسع للكشف المحدد عن HA.

يمكن استخدام Biotin الموسومة HABP في إجراءات التصور القائمة على IHC.


يعترف كتاب "علم الأنسجة الأساسي" لجونكويرا وكارنيرو بمشكلة التثبيت النسيجي لمادة الأرض. يوصون بالتجفيف بالتجميد في النيتروجين السائل ثم إزالة الماء عن طريق التفريغ العالي عند درجة حرارة -30 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى التسامي (جليد -> بخار). ثم يتم تثبيت العينة بمذيب غير قطبي. بعد ذلك يمكنك استخدام البقع مثل تقنية PAS.

لم أفعل هذا قط ، أنا فقط أقوم بنسخه من الكتاب. إذا كان لديك بالفعل نيتروجين سائل ، وشفط عالي ، و PAS في مختبرك ، فقد يكون هذا أرخص من HABP.


تصلب المصفوفة خارج الخلية: منظم للبروستاغلاندينات في التليف الرئوي؟

الترسيب الشاذ لبروتينات المصفوفة خارج الخلية (ECM) هو السمة المميزة للتليف الرئوي مجهول السبب (IPF) (1). الخلايا الليفية الرئوية المنشّطة ، التي تتميز إما بـ α-SMA (أكتين عضلي أملس) أو PDGFRα (مستقبل عامل النمو المشتق من الصفائح الدموية α) ، هي المصدر الرئيسي لإنتاج ECM (2). يؤدي ترسب وتشابك بروتينات ECM إلى تقوية ECM. في الواقع ، تتغير الخصائص الميكانيكية الحيوية للرئة بشكل كبير في IPF ، ويتراوح معامل Young ، كمقياس للصلابة ، من مناطق ذات قيم طبيعية تتراوح بين 0.5 و 10 كيلو باسكال (تشبه قيم أنسجة الرئة الطبيعية) إلى أقصى درجات بين 50 و 100 كيلو باسكال بدرجة عالية. المناطق الليفية (3 ، 4).

حتى وقت قريب ، كان يعتقد أن تصلب المصفوفة هو نتيجة لعمليات إعادة تشكيل التليف في المرحلة النهائية. ومع ذلك ، تشير الدلائل المتزايدة إلى أن التغييرات في تقوية ECM يمكن أن تساهم بنشاط في انتشار المرض وحتى بدء ظهوره (5). في الواقع ، زيادة صلابة المصفوفة وحدها كافية للحث على تنشيط الخلايا الليفية وإفراز الكولاجين (6) ، وبالتالي ، يمكن للمصفوفة اللينة عكس تنشيط الخلايا الليفية (7). لذلك ، فإن استهداف ECM والميكانيكا الحيوية الخاصة به قد برز كمفهوم جديد واعد لعلاجات IPF المستقبلية. لفترة طويلة ، لم يكن هناك خيار علاج متاح لـ IPF ، وفشل العديد من المرشحين المحتملين في التجارب السريرية. في الآونة الأخيرة فقط ، ثبت أن اثنين من الأدوية المضادة للالتهاب ، nintedanib و pirfenidone ، تعمل على إبطاء تقدم المرض بنجاح (8). ومع ذلك ، لا تزال هناك حاجة إلى مناهج إضافية لإعادة التشكيل العكسي ومضادات التليف ليس فقط لإبطاء تقدم المرض ولكن أيضًا لوقف تقدم المرض. وبالتالي ، فإن استهداف مصفوفة الاستهداف يبشر بالخير.

هذا العدد من مجلة يحتوي على دراسة أجراها برهان وزملاؤه (ص 819-830) توضح كيف تتداخل صلابة المصفوفة مع خطوات متعددة من البروستاجلاندين (PG) E2 إنتاج الخلايا الليفية في الرئة البشرية (9). يعد التحقيق في البروستاجلاندين في هذا السياق واعدًا حقًا ، حيث يظهر العديد من أفراد تلك العائلة نشاطًا مضادًا للتليف ، وقد تم تطوير العديد من ناهضات / مضادات مستقبلات محددة للغاية مع إمكانية الاستخدام السريري (NCT00296556). جميع PGs مشتقة من السلائف PGH2 عبر مسار الأراكيدونيك و COX (انزيمات الأكسدة الحلقية). تقوم الإنزيمات الاصطناعية الطرفية بتحويل PGH2 إلى البروستاغلاندينات الفردية النشطة بيولوجيًا ، وهي PGI2 (بروستاسيكلين) ، PGF، PGD2، و PGE2. من بين أفراد الأسرة الآخرين ، PGE2 له تأثير قوي مضاد للالتهاب ومضاد للالتهابات ، والذي يتم توسطه في الغالب من خلال EP2 و EP4 (مستقبلات البروستانويد من النوع E 2 و 4) (10).

ومع ذلك ، تشير دراسات متعددة إلى أن العمل الفسيولوجي المضاد للتليف الموضعي لـ PGE2 محدودة في التليف الرئوي ، مثل PGE2 التركيزات في BAL أقل في المرضى الذين يعانون من IPF (11). أسباب انخفاض PGE2 لم يتم فهم التركيزات بشكل كامل حتى الآن ومن المحتمل أن تكون متعددة العوامل. لذلك ، تم بذل الكثير من الجهد في التحقيق في الإنزيمات الرئيسية لإنتاج PG ، COX-1 و COX-2. هنا ، ظلت البيانات التي تم جمعها غير حاسمة ، بدءًا من انخفاض تركيزات الرنا المرسال والبروتين في حمة الرئة (12) والخلايا الليفية الرئوية المعزولة IPF (13) إلى التركيزات المتزايدة في البؤر الليفية (14) ، وبالتالي لم تشرح بشكل كامل انخفاض PGE.2 التركيزات في IPF. هذا يترك مجالًا لإجراء تحقيق أكثر تفصيلاً في PGE2 الإنتاج والتدهور. في الواقع ، زاد التعبير عن PGE2- تم العثور على الإنزيم المتحلل 15-PGDH في عدة مناطق في الرئة الليفية (15) ، وزيادة تصلب المصفوفة تحد من PGE2 إنتاج وإفراز (16). ومع ذلك ، حتى الآن ، التحقيق في الإنزيم النهائي لـ PGE2 كان إنتاج PTGES (سينثاز البروستاغلاندين E) مفقودًا ، حتى كان برهان وزملاؤه أول من اكتشف انخفاض تركيزات PTGES في رئتي IPF.

في عدد كبير من في المختبر التجارب باستخدام الخلايا الليفية للرئة البشرية ، قاموا بالتحقيق على نطاق واسع وشامل في كيفية قيام جميع اللاعبين المشاركين في PGE2 الإنتاج يستجيب للبيئات اللينة والقاسية. لقد تعهدوا متطورة في المختبر إعدادات لمحاكاة الظروف البيئية الصحية (اللينة) والمرضية (القاسية) للأرومات الليفية في الرئة باستخدام البلاستيك ثنائي الأبعاد (2D) ، والمصفوفة اللينة (السيتوسوفت والهيدروجيل) ، وثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) المزرعة الكروية الناعمة ، وكل ذلك معًا للتحقق من الصلابة يتراوح من ∼3 جيجا باسكال إلى 0.4 كيلو باسكال. لأول مرة ، حدد المؤلفون انخفاض تركيزات الإنزيم النهائي لـ PGE2 إنتاج (PTGES) في المرضى الذين يعانون من IPF. أنها توفر آلية جزيئية وراء اكتشافهم من خلال إظهار أن المصفوفة القاسية قللت من تعبير PTGES ، في حين أن ظروف الثقافة ثلاثية الأبعاد الناعمة تحفز وتنقذ تعبيرها ونشاطها في الخلايا الليفية غير IPF ، وعن طريق مكملات حمض الأراكيدونيك الإضافية ، في الخلايا الليفية IPF. أكد المؤلفون القمع الناتج عن الصلابة لتعبير COX-2 و PGE2 إفراز (16) وأغلقت الدورة بفحص إضافي لـ PGE2 مستقبلات ، تحدد التعبير الأقل عن مستقبلات EP4 المضادة للالتهاب في إعدادات قاسية مقارنة بالإعدادات اللينة (الشكل 1).

شكل 1. PGE2 (البروستاجلاندين إي2) يعتمد تخليق الخلايا الليفية للرئة البشرية على الخصائص الميكانيكية الحيوية للمصفوفة خارج الخلية المحيطة بها. أدت ظروف المصفوفة اللينة ثنائية وثلاثية الأبعاد إلى زيادة تركيزات PGE2، والذي كان مصحوبًا بزيادة التعبير عن cPLA2 (فسفوليباز عصاري خلوي A2) ، وأشكال كوكس (انزيمات الأكسدة الحلقية) ، والإنزيم الطرفي ، PTGES (PGE)2 سينثاس). 3D = ثلاثي الأبعاد EP4 = مستقبلات البروستانويد من النوع E 4.

على الرغم من أن المؤلفين يظهرون بشكل مقنع أن PGE2 مسار التوليف حساس للتغيرات الفيزيائية الحيوية في بيئته المكروية في الخلايا الليفية غير IPF ، لا تزال هناك أجزاء من اللغز مطلوبة للحصول على صورة كاملة وشاملة لأن PGE2 لم يتم استرداد التركيزات بالكامل في الخلايا الليفية IPF. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحفاظ على الخلايا الليفية الرئوية على مصفوفة ثنائية الأبعاد ناعمة وصلبة عبر عدة ممرات ، أثرت بشدة على الرنا المرسال وتركيزات البروتين لأعضاء PGE2 مسار. ومع ذلك ، في التجارب على مدى فترة زمنية أقصر ، لم يتم دائمًا إعادة تلخيص التغييرات في تركيزات الرنا المرسال في تركيزات البروتين ، وغالبًا ما تكون التأثيرات الأكثر بروزًا على الإنزيمات المشاركة في PGE2 لوحظ التوليف في الثقافة الكروية ثلاثية الأبعاد اللينة مقارنة بالظروف القاسية ثنائية الأبعاد. يعد هذا التأثير القوي والسريع والعميق للثقافة ثلاثية الأبعاد الناعمة اكتشافًا مثيرًا للفضول من قبل برهان وزملائه ، حيث إنه يسلط الضوء بشكل أكبر على تعقيد وحساسية التفاعلات الخلوية في مسارات الإيكوزانويد والطلب والضرورة للإعدادات التجريبية ثلاثية الأبعاد. لذلك ، يمكن أن يكون المؤلفون قد كشفوا عن نقطة تفتيش تنظيمية إضافية لـ PGE2 التوليف مع مزيد من الإمكانات للتحقيق في المستقبل. في التجارب المستقبلية ، يجب الإجابة على الأسئلة المفتوحة المهمة ، مثل ما إذا كانت التغييرات الميكانيكية الحيوية في الإعدادات التجريبية الناعمة والقاسية ثلاثية الأبعاد يمكن أن تؤثر على PGE2 مسار. للإجابة على ذلك ، يمكن أن تكون أنسجة الرئة منزوعة الخلايا من المرضى الذين يعانون من IPF وموضوعات التحكم أو أقسام الرئة الليفية وغير الليفية IPF بمثابة سقالة لإعادة الخلوية للتحقيق في إنتاج PG. بالإضافة إلى ذلك ، يجب فحص تركيزات البروستانويد المحلية في المناطق الليفية وغير الليفية لتحديد التحولات المحتملة في PGs البروتيفي ومضاد التليف واعتمادها على صلابة المصفوفة.

معًا ، حدد المؤلفون نقاطًا متعددة في تنظيم PGE بشكل شامل2 يعتمد التوليف على البيئة الميكانيكية الحيوية. أنها توفر مزيدا من الشرح لتركيزات انخفاض PGE2 في المرضى الذين يعانون من IPF وتسليط الضوء على إمكانية استهداف PGE2 مسار التليف الرئوي.


تنظيم عامل النمو

تعد ECM جزءًا لا يتجزأ من تنظيم عوامل نمو الجسم و # 8217s. Tenascin-X (TNXB) هو أكبر بروتين سكري في المصفوفة خارج الخلية. إنه ضروري في تكوين الكولاجين ، التصاق الخلية بـ ECM ، بالإضافة إلى بنية وهيكل ECM. تؤدي أوجه القصور في TNXB إلى فرط مرونة الجلد بالإضافة إلى فرط حركة المفاصل. تلعب عائلة TGFß (تحويل عامل النمو بيتا) دورًا مهمًا في مجموعة واسعة من أنشطة الخلايا بما في ذلك: تمايز الخلايا ، وبقاء الخلية ، وهجرة الخلايا ، ونسخ الكولاجين ، والتئام الجروح ، والتطور الجنيني. يعتبر TGFß أيضًا جزءًا لا يتجزأ من التعديل المناعي ، بما في ذلك التوازن بين TH1 / TH2 / TH17. تعدل المجالات داخل جين TNXB استخدام ونضج ونسخ TGFß (3 ، 4). لذلك ، نتوقع أن نرى مشاكل فسيولوجية كبيرة تنشأ بسبب اضطراب TNXB و ECM.

VEGF (عامل النمو البطاني الوعائي) ضروري في توصيل الأكسجين إلى الأنسجة منخفضة الأكسجين ، وكذلك في التعافي من التمارين ، وتكوين الأوعية الدموية ، وسلامة العضلات ووظيفتها. الأهم من ذلك ، أن VEGF-A (عامل نمو بطانة الأوعية الدموية) و VEGF-B يرتبطان مباشرة بـ TNXB في المصفوفة خارج الخلية. الأفراد الذين يعانون من ضعف الدورة الدموية ، والتعب العضلي ، وعدم تحمل التمارين الرياضية قد يعانون من ضعف نشاط VEGF.


تكوين ووظيفة ECM

مكونات المصفوفة

يتم تعريف ECM على أنها مجموعة متنوعة من البروتينات والسكريات التي تحيط بالخلايا في جميع الأنسجة الصلبة. توفر حجرة الأنسجة هذه دعمًا هيكليًا من خلال الحفاظ على سقالة غير قابلة للذوبان ، وهذا بدوره يحدد الشكل والأبعاد المميزة للأعضاء والأنسجة المعقدة. يتكون ECM بشكل أساسي من شبكة متشابكة معقدة من الكولاجين الليفي وغير الليفي ، والألياف المرنة والجليكوزامينوجليكان (GAG) - التي تحتوي على بروتينات سكرية غير كولاجينية (هيالورونان وبروتيوغليكان). على الرغم من أن ECM كان يُنظر إليه تاريخيًا على أنه يؤدي دورًا هيكليًا في المقام الأول ومن ثم دورًا ميكانيكيًا حيويًا ، إلا أن قدرة ECM على توفير المعلومات السياقية المسؤولة عن التحكم في السلوك الخلوي الفردي والجماعي قد تم الاعتراف بها بشكل متزايد في السنوات الأخيرة.

بعد التوليف داخل الخلايا ، يتم إفراز مكونات ECM في المصفوفة الخلالية التي تحيط بالخلايا وتدعمها ، وهي المزود الرئيسي للسقالات الهيكلية للأنسجة. تلعب هذه المصفوفة أيضًا دورًا رئيسيًا في حماية الخلايا من خلال العمل كمخزن ضغط عندما تتعرض الأنسجة لضغوط مشوهة. تتكون المصفوفة الخلالية الموجودة في معظم وليس كل الأنسجة بشكل أساسي من النوع الأول من الكولاجين الليفي ، والذي يمنح الأنسجة ، جنبًا إلى جنب مع الفبرونيكتين ، قوة ميكانيكية للأنسجة (Erler and Weaver ، 2009). على الرغم من أن الكولاجين بشكل جماعي هو المكون الأكثر وفرة في ECM ، فإن التعبير التفاضلي لمكونات ECM الخلالية الفردية يدعم الوظائف المحددة للعديد من الأعضاء والأنسجة. على سبيل المثال ، يتم التعبير عن كبريتات شوندروتن ، وهي عبارة عن GAG مكبريت عادة ما تكون مرتبطة بالبروتينات كجزء من البروتيوغليكان ، بشكل كبير في ECM للأنسجة الضامة مثل الغضاريف والأوتار والأربطة والشرايين الرئيسية ، حيث تساعد في الحفاظ على السلامة الهيكلية من الأنسجة. على النقيض من ذلك ، تم تحديد البروتين المفرز الحمضي والغني بالسيستين (SPARC) ، وهو بروتين سكري خلوي كان يسمى في البداية osteonectin ، في العظام ، حيث يربط الكولاجين و Ca 2+ ، ويبدأ التنوي أثناء تمعدن العظام (Termine et al. ، 1981 ). ومع ذلك ، فقد ثبت أيضًا أن SPARC تُفرز بواسطة الخلايا غير الظهارية في الأنسجة غير المتعظمة (Sage et al. ، 1984) أثناء التطوير وإصلاح الأنسجة ، حيث تتوسط في إعادة تشكيل ECM ودورانها ، وتفاعلات الخلية مع ECM (إنجل) وآخرون ، 1987 Sage وآخرون ، 1989 Funk and Sage ، 1991 Lane and Sage ، 1994 Murphy-Ullrich et al. ، 1995 Chlenski and Cohn ، 2010). يمكن أن يؤدي التحميل الميكانيكي الخارجي للأنسجة أيضًا إلى تعديل تكوين ECM في بعض الأنسجة. على سبيل المثال ، في الحالات التي يكون فيها التنقل ضعيفًا ، هناك انخفاض في محتوى البروتيوغليكان للكولاجين المفصلي وفي كثافة المعادن في العظام ، ولكن هذه تزيد مع التمرين (Bird et al. ، 2000 Rittweger et al. ، 2006 Rittweger et al. ، 2009) ، مما يشير إلى أن تكوين ECM يتم تعديله بواسطة كل من المحفزات الداخلية والخارجية.

بالإضافة إلى المصفوفة الخلالية ، فإن الأغشية القاعدية خارج الخلية (BMs) هي شكل متخصص من ECM الشبيه بالصفائح التي يمكن للخلايا الظهارية أن ترتكز عليها وتتفاعل مباشرة مع الظهارة والبطانة. تتكون هذه الأغشية بشكل أساسي من الكولاجين الرابع واللامينين والإنتاكتين (المعروف أيضًا باسم النيدوجين) وبروتيوغليكان كبريتات الهيباران (إيرلر ويفر ، 2009). تلعب BMs دورًا رئيسيًا في وظيفة الخلايا الظهارية ، حيث توفر إشارات للتوجيه تساعد في إنشاء والحفاظ على قطبية القمة وتمايز الخلايا.

يخدم ECM العديد من الوظائف بالإضافة إلى توفير الدعم الهيكلي. بالميكروسكوب ، تفصل وحدة التحكم في المحرك جسديًا الخلايا والأعضاء وتعمل كوسادة واقية - على سبيل المثال ، من خلال تنظيم الضغط الهيدروستاتيكي داخل الأنسجة والأعضاء. على المستوى المجهري ، هذه الشبكة الجزيئية عالية الديناميكية قادرة أيضًا على تنظيم السلوك الخلوي من خلال تعديل ، من بين أمور أخرى ، الانتشار وتنظيم الهيكل الخلوي والتمايز الخلوي وإشارات المستقبلات (Paszek and Weaver، 2004 Kass et al.، 2007). تعتمد آليات الإشارات الكيميائية الحيوية "من الخارج إلى الداخل" على التنظيم المكاني الدقيق لروابط ECM لدمج الإشارات المعقدة بطريقة منظمة (Hynes ، 2009). تنظم الخواص الفيزيائية الحيوية للمصفوفة أيضًا المسارات الحسية الميكانيكية الخلوية - من خلال صلابة الركيزة العالمية (وهي ظاهرة تُعرَّف على أنها انجذاب ميكانيكي أو انجذاب عميق) (Lo et al.، 2000 Wong et al.، 2003 Hadjipanayi et al.، 2009) أو التوتر خارج الخلية (معروف) as tensotaxis) (Beloussov et al. ، 2000) - الذي يحفز الخلايا على اكتشاف التغيرات في الميكانيكا الحيوية للأنسجة والاستجابة لها (Yu et al. ، 2010). بالإضافة إلى ذلك ، تعمل وحدة التحكم في المحرك أيضًا على عزل وبالتالي تعمل "كمستودع محلي" لمجموعة واسعة من عوامل النمو والسيتوكينات. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي إصابة الأنسجة إلى أنشطة البروتياز ، مما يؤدي إلى إطلاق سريع لجزيئات الإشارة [مثل تحويل عامل النمو β (TGFβ) (Wipff et al. ، 2007 Wells and Discher ، 2008)] ، والذي بدوره يسمح بسرعة والتفعيل المحلي بوساطة عامل النمو للوظائف الخلوية دون تخليق دي نوفو.


مقدمة

شهدت السنوات العشرين الماضية تقارب بيولوجيا السرطان وعلم الأحياء التنموي ، واستفاد كلا المجالين بشكل كبير من التقدم البحثي لبعضهما البعض (Xie and Abbruzzese ، 2003 Radtke and Clevers ، 2005 Blanpain et al. ، 2007). بأثر رجعي ، فإن مثل هذا التقارب أمر لا مفر منه ، حيث أن العديد من سلوكيات الخلية نفسها والعمليات الأساسية للتطور الجنيني لا غنى عنها أيضًا لتطور السرطان (Egeblad et al. ، 2010a). أصبح المفهوم القائل بأن البيئات الدقيقة المحلية ، أو المنافذ ، تلعب دورًا مهمًا في تنظيم سلوك الخلية ، وهو أحد الموضوعات المركزية في علم الأجنة الكلاسيكي ، مقبولًا بشكل متزايد في بيولوجيا السرطان (Bissell and Radisky ، 2001 Wiseman and Werb ، 2002 Bissell and Labarge ، 2005).

تم تكريس الكثير من الجهود لتحديد كيفية بدء المكونات الخلوية للمكانة وتعزيز تطور السرطان (Bhowmick et al. ، 2004). ومع ذلك ، فقد سلط التقدم الأخير الضوء أيضًا على أهمية المكونات غير الخلوية للمكانة ، وخاصة ECM ، أثناء تقدم السرطان (Sternlicht et al. ، 1999 Paszek et al. ، 2005 Erler et al. ، 2006 ، 2009 Levental et al. ، 2009 ). على الرغم من أنه يُنظر إليه منذ فترة طويلة على أنه هيكل مستقر يلعب دورًا داعمًا بشكل أساسي في الحفاظ على مورفولوجيا الأنسجة ، فإن ECM يعد جزءًا أساسيًا من بيئة الخلية التي تتميز بالديناميكية والمتعددة الاستخدامات بشكل مدهش وتؤثر على الجوانب الأساسية لبيولوجيا الخلية (Hynes ، 2009). من خلال الوسائل المباشرة أو غير المباشرة ، تنظم ECM جميع السلوك الخلوي تقريبًا ولا غنى عنها لعمليات التطوير الرئيسية (Wiseman et al.، 2003 Stickens et al.، 2004 Rebustini et al.، 2009 Lu et al.، 2011).

تمشيا مع العديد من الأدوار المهمة لـ ECM ، توجد آليات تنظيمية متعددة لضمان أن تكون ديناميكيات ECM ، التي يتم قياسها بشكل جماعي من خلال إنتاجها وتدهورها وإعادة تشكيلها ، طبيعية أثناء تطوير العضو ووظيفته (Page-McCaw et al. ، 2007). يؤدي تعطيل آليات التحكم هذه إلى تحرير وتنظيم ECM ، مما يؤدي إلى سلوكيات غير طبيعية للخلايا الموجودة في الموضع المناسب وفي النهاية فشل استتباب العضو ووظيفته. في الواقع ، تعد ديناميكيات ECM غير الطبيعية إحدى النتائج السريرية الأكثر ظاهريًا في أمراض مثل تليف الأنسجة والسرطان (Cox and Erler ، 2011).

يتمثل أحد التحديات الرئيسية في بيولوجيا ECM في فهم أدوار ECM في التطور الطبيعي وكيف يمكن أن يساهم اضطراب ديناميكيات ECM في الإصابة بأمراض مثل السرطان. هنا ، ندرس الخصائص المتنوعة لـ ECM والتي تعتبر ضرورية لأدوارها المتنوعة في السرطان. نحن نركز على كيفية تحرير ECM غير الطبيعي لسلوك مختلف مكونات الخلايا الظهارية والسدوية في مراحل مختلفة من تطور السرطان.

خصائص وميزات ECM

تتكون ECM من مجموعة كبيرة من المكونات المتميزة كيميائيًا بما في ذلك البروتينات والبروتينات السكرية والبروتيوغليكان والسكريات ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية الحيوية المختلفة (ويتاكر وآخرون ، 2006 أوزبيك وآخرون ، 2010). من الناحية الهيكلية ، تشكل هذه المكونات كلاً من الغشاء القاعدي ، الذي يتم إنتاجه بشكل مشترك بواسطة الخلايا الظهارية والبطانية والخلايا اللحمية لفصل الظهارة أو البطانة عن السدى ، والمصفوفة الخلالية ، والتي يتم إنتاجها بشكل أساسي بواسطة الخلايا اللحمية. الغشاء القاعدي عبارة عن وحدة تحكم في المحرك متخصصة ، وهي أكثر إحكاما وأقل مسامية من المصفوفة الخلالية. يحتوي على تركيبة مميزة تحتوي على الكولاجين من النوع الرابع ، واللامينين ، والفيبرونيكتين ، والبروتينات الرابطة مثل النيدوجين والإنتاكتين ، والتي تربط الكولاجين بمكونات بروتينية أخرى. على النقيض من ذلك ، فإن المصفوفة الخلالية غنية بالكولاجين الليفي والبروتيوغليكان والبروتينات السكرية المختلفة مثل Tenascin C و fibronectin ، وبالتالي فهي مشحونة للغاية ، ورطبة ، وتساهم بشكل كبير في قوة الشد للأنسجة (Egeblad et al. ، 2010b).

عندما يتم تجميعها بطريقة منظمة ، فإن مكونات ECM ، مع تنوعها الهيكلي والكيميائي الحيوي الرائع وتنوعها الوظيفي ، تمنح المصفوفات الخصائص الفيزيائية والكيميائية الحيوية والميكانيكية الحيوية الفريدة التي تعتبر ضرورية لتنظيم سلوك الخلية. على سبيل المثال ، تشير الخصائص الفيزيائية لـ ECM إلى صلابتها ومساميتها وعدم قابليتها للذوبان والترتيب المكاني والاتجاه (أو الطبوغرافيا) وغيرها من الميزات المادية التي تحدد دورها معًا في السقالات لدعم بنية الأنسجة وسلامتها. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال العمل كحاجز أو موقع إرساء أو مسار حركة ، تلعب الخصائص الفيزيائية لـ ECM أدوارًا سلبية وإيجابية في ترحيل الخلية (الشكل 1 ، المراحل 1-3).

على النقيض من ذلك ، تتعلق الخصائص الكيميائية الحيوية لـ ECM بقدراتها المباشرة وغير المباشرة على الإشارات التي تسمح للخلايا بالاستشعار والتفاعل مع بيئاتها باستخدام شلالات نقل الإشارة المختلفة المنبثقة من سطح الخلية إلى النواة ، مما يؤدي إلى التعبير الجيني أو تغييرات أخرى في الخلية سلوك. على سبيل المثال ، كشبكة بروتينية عالية الشحنة غنية بتعديلات السكاريد ، يمكن لـ ECM الارتباط بعدد لا يحصى من عوامل النمو ، بما في ذلك البروتينات المكونة للعظام ، و FGFs ، والقنافذ ، و WNTs (Hynes ، 2009). عند القيام بذلك ، تحدد وحدة التحكم في المحرك (ECM) نطاق الانتشار ، وإمكانية الوصول ، واتجاه الإشارة للروابط إلى مستقبلاتها المماثلة (الشكل 1 ، المراحل 4-6 Norton et al. ، 2005). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لـ ECM أيضًا بدء أحداث الإشارات مباشرة ، لا سيما من خلال العمل كمقدمة لشظايا الإشارات النشطة بيولوجيًا (الشكل 1 ، المرحلة 7 Hynes ، 2009 Lu et al. ، 2011).

تتمثل إحدى المناطق المزدهرة في بيولوجيا ECM في كيفية مساهمة خصائصها الميكانيكية الحيوية ، بما في ذلك مرونة ECM (التي تتراوح من لينة ومتوافقة إلى صلبة وصلبة) ، في التطور والمرض (McBeath et al.، 2004 Reilly and Engler، 2010). كما اتضح ، تساعد مرونة ECM في تحديد كيفية استشعار الخلية للقوى الخارجية وإدراكها (Paszek et al. ، 2005 Lopez et al. ، 2008 Gehler et al. ، 2009) وبالتالي توفر مؤشرًا بيئيًا رئيسيًا يحدد سلوك الخلية (Kölsch وآخرون ، 2007 Montell ، 2008 Fernandez-Gonzalez et al. ، 2009 Pouille et al. ، 2009 Solon et al. ، 2009 DuFort et al. ، 2011). في الواقع ، يمكن النظر إلى مركب الالتصاق البؤري ، الذي يتكون من الإنتغرينات ومجموعة متعددة من المحولات وبروتينات الإشارة ، على أنه مستشعر ميكانيكي يربط الهيكل الخلوي الأكتوميوسين مع ECM. تخضع العديد من مكونات الالتصاق البؤري ، بما في ذلك talin و p130Cas ، لتغييرات توافقية تنقل عواقب وظيفية استجابة للقوة المطبقة (Sawada et al. ، 2006 del Rio et al. ، 2009 Wang et al. ، 2011). إلى جانب الهيكل الخلوي والمصفوفات النووية ، والمغلف النووي ، والكروماتين ، فإنها تشكل آلية استشعار ميكانيكية متطورة تحدد كيفية تفاعل الخلايا مع قوى ECM (DuFort et al. ، 2011). ومن المثير للاهتمام ، مع ذلك ، أن التغييرات في القوة الميكانيكية يمكن تحويلها إلى اختلافات في أنشطة إشارات TGF-في وتر الفأر (Maeda et al. ، 2011) ، مما يشير إلى أنه يمكن استخدام مسارات الإشارات التقليدية لتفسير الخصائص الميكانيكية الحيوية لـ ECM. نتيجة لذلك ، تنظم الخصائص الميكانيكية الحيوية لـ ECM العديد من سلوكيات الخلية الأساسية ، بما في ذلك تحديد مصير الخلية ، والتمايز ، ووظيفة الأنسجة (الشكل 1 ، المرحلة 8 Engler et al. ، 2006 Lutolf et al. ، 2009 Gilbert et al. ، 2010).

الأهم من ذلك ، تساهم العديد من الخصائص البارزة لخصائص ECM في أهميتها في التطور والمرض. أولاً ، الخصائص المختلفة لـ ECM ليست مستقلة بدلاً من ذلك ، فهي متشابكة. لذلك ، عندما تصلب ECM ، على سبيل المثال ، في ظل الظروف المرضية ، تتغير خصائصها الميكانيكية الحيوية ، وتستجيب الخلايا من خلال ممارسة أنواع مختلفة بشكل ملحوظ من القوة (Yu et al. ، 2011). بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي تقوية المصفوفة أيضًا إلى تغيير الخصائص الفيزيائية الأخرى لـ ECM ، ونتيجة لذلك ، يؤثر بشكل مباشر على كيفية تفاعل الخلايا المهاجرة مع ECM. وبالتالي ، فإن حزم الكولاجين الخطية المتشابكة ، والتي تكون شديدة الصلابة ، تحفز انتقال الخلايا ، في حين أن الشبكة الكثيفة من ألياف المصفوفة الصلبة المتشابكة تعوق الهجرة ، ما لم يتم تنشيط البروتينات المعدنية المصفوفة (MMPs) في وقت واحد (Egeblad et al. ، 2010b).

ثانيًا ، تتميز ECM بأنها ديناميكية للغاية ، حيث يتم إعادة تشكيلها باستمرار في أنسجة مختلفة في مختلف المراحل الجنينية وما بعد الولادة. قد تنتج ديناميكيات ECM عن تغييرات في الكمية المطلقة أو تكوين ECM ، على سبيل المثال نتيجة لتوليف أو تدهور واحد أو أكثر من مكونات ECM. بدلاً من ذلك ، قد لا تُظهر ديناميكيات ECM أي تغييرات تركيبية لمكوناتها ، ولكنها بدلاً من ذلك تتضمن فقط كيفية وضع مكونات ECM الفردية ، والربط المتبادل ، والترتيب المكاني معًا عبر التعديلات التساهمية وغير التساهمية.

أخيرًا ، تتمثل إحدى أبرز سمات تفاعلات الخلية مع ECM في أنها متبادلة. من ناحية ، تعمل الخلايا باستمرار على إنشاء مكونات ECM أو تفكيكها أو إعادة ترتيبها وإعادة تنظيمها لتغيير واحد أو أكثر من خصائص ECM. من ناحية أخرى ، نظرًا لأن ECM ينظم سلوك الخلية المتنوع ، فإن أي تغييرات في ECM نتيجة للأنشطة الخلوية ستؤثر بدورها على الخلايا المجاورة وتعديل سلوكياتها (Butcher et al. ، 2009). تسمح آلية تنظيم التغذية المرتدة هذه بين الخلايا و ECM للخلايا والأنسجة بالتكيف بسرعة مع بيئتها (Samuel et al. ، 2011).

تعد ديناميكيات ECM المحررة من السمات المميزة للسرطان

يتم تنظيم إعادة تشكيل ECM بإحكام أثناء التطوير ويتم تحقيقه بشكل أساسي من خلال التحكم في التعبير أو أنشطة إنزيمات ECM على مستويات متعددة. خذ على سبيل المثال الإنزيمات المهينة ECM ، والتي تشمل MMPs ، و disintegrin و metalloproteinase بزخارف ثرومبوسبوندين ، وسيرين بروتياز بلازمين: إذا تركت دون رادع ، يمكن أن يكون للأنشطة القوية لهذه الإنزيمات عواقب مدمرة على الأنسجة وتسبب زوال الكائن الحي بأكمله. نتيجة لذلك ، لا يتم تنظيم إنزيمات إعادة تشكيل ECM فقط على مستويات النسخ والترجمة ولكن أيضًا بعد الترجمة باستخدام نطاقاتها المثبطة وظيفيًا ومثبطات البروتين الانتقائية (Page-McCaw et al.، 2007 Aitken and Bägli، 2009).

على الرغم من وجود آليات تحكم متعددة ، يمكن تحرير أنشطة إنزيمات إعادة تشكيل ECM مع تقدم العمر أو في ظل ظروف المرض. وبالتالي ، قد تصبح ديناميكيات ECM غير طبيعية حيث تتحول كمية أو تكوين أو تضاريس ECM إلى انحراف ، مما يؤدي إلى عدم التنظيم والتغيرات في الخصائص الأساسية لـ ECM. المساهمون الرئيسيون في الأنشطة المتغيرة لإنزيمات إعادة تشكيل ECM وبالتالي التمثيل الغذائي غير الطبيعي لـ ECM هم الخلايا اللحمية ، بما في ذلك الخلايا الليفية المرتبطة بالسرطان (CAFs) والخلايا المناعية (Bhowmick وآخرون ، 2004 Orimo وآخرون ، 2005). ومع ذلك ، قد تشارك أنواع أخرى من الخلايا ، بما في ذلك الخلايا الظهارية والخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) ، في المراحل المتأخرة من تطور السرطان (Quante et al. ، 2011 Singer and Caplan ، 2011).

تم توثيق ديناميكيات ECM غير الطبيعية جيدًا في الدراسات السريرية للعديد من الأمراض وهي سمة مميزة للسرطان. على سبيل المثال ، يكون إنتاج ECM الزائد أو انخفاض معدل دوران ECM بارزًا في تليف الأنسجة للعديد من الأعضاء (Frantz et al. ، 2010). تُظهر الكولاجين المختلفة ، بما في ذلك الكولاجين الأول والثاني والثالث والخامس والتاسع ، زيادة في الترسب أثناء تكوين الورم (Zhu et al. ، 1995 Kauppila et al. ، 1998 Huijbers et al. ، 2010). مع تقدمنا ​​في العمر ، هناك انخفاض في ترسب الكولاجين وزيادة نشاط MMP (Norton et al. ، 2005 Butcher et al. ، 2009). علاوة على ذلك ، فإن العديد من مكونات ECM الأخرى ومستقبلاتها مثل البروتيوغليكان كبريتات الهيباران و CD44 التي تسهل إشارات عامل النمو كثيرًا ما يتم إنتاجها بشكل مفرط في السرطان (Kainz et al. ، 1995 Stauder et al. ، 1995 Nasser ، 2008). وبالتالي ، يمكن أن تؤدي التغييرات غير الطبيعية في كمية وتركيب ECM إلى تغيير الخصائص الكيميائية الحيوية لـ ECM بشكل كبير ، وتحفيز التأثيرات المسرطنة لمسارات إشارات عامل النمو المختلفة ، وتحرير سلوك الخلية أثناء التحول الخبيث.

بالإضافة إلى التغييرات في الخواص الكيميائية الحيوية ، تختلف البنية والخصائص الفيزيائية الأخرى للخلايا الجذعية المرتبطة بالورم اختلافًا جوهريًا عن تلك الموجودة في سدى الأنسجة الطبيعية بدلاً من الألياف غير الموجهة المسترخية ، غالبًا ما يكون الكولاجين الأول في أورام الثدي خطيًا بدرجة عالية ويكون إما متجاورًا. على الظهارة أو الإسقاط عموديًا في الأنسجة (Provenzano et al. ، 2006 Levental et al. ، 2009). تمشيا مع هذه التغييرات ، غالبًا ما يتم تحرير التعبير عن العديد من إنزيمات إعادة تشكيل ECM في السرطانات البشرية. Heparanases ، 6-O-sulfatases ، cysteine ​​cathepsins ، urokinase ، وعلى الأخص العديد من MMPs كثيرا ما يتم التعبير عنها بشكل مفرط في سرطانات مختلفة (Ilan et al. ، 2006 Kessenbrock et al. ، 2010).

علاوة على ذلك ، تتغير الخصائص الميكانيكية الحيوية لـ ECM أيضًا في ظل ظروف المرض. على سبيل المثال ، عادة ما تكون سدى الورم أكثر صلابة من السدى الطبيعي في حالة سرطان الثدي ، ويمكن أن تكون الأنسجة المريضة أكثر صلابة بعشر مرات من الثدي الطبيعي (Levental et al.، 2009 Lopez et al.، 2011). يمكن أن يُعزى جزء من الزيادة في تصلب الأنسجة إلى الأنشطة الزائدة لـ lysyl oxidase (LOX) ، التي تربط ألياف الكولاجين ومكونات ECM الأخرى. في الواقع ، لوحظ التنظيم الأعلى لتعبير LOX في أنواع مختلفة من السرطان ، بما في ذلك سرطان الثدي وسرطان الرأس والعنق ، وهو علامة تنبؤية ضعيفة (Le et al. ، 2009 Barker et al. ، 2011). الأهم من ذلك ، أظهرت دراسة أجريت على علم وراثة الفئران أن الإفراط في التعبير عن LOX يزيد من صلابة ECM ويعزز غزو الخلايا السرطانية وتقدمها (Levental et al. ، 2009). في المقابل ، يقلل تثبيط LOX من تليف الأنسجة وحدوث الورم في نيو نموذج سرطان الثدي (ليفينتال وآخرون ، 2009). تُظهر هذه البيانات معًا أن تحرير الارتباط المتقاطع للكولاجين وتصلب ECM هو أكثر من مجرد نتيجة ثانوية ولكنه بدلاً من ذلك يلعب دورًا مسببًا في التسبب في الإصابة بالسرطان. من المثير للاهتمام ، مع ذلك ، أن الإفراط في التعبير عن LOX وحده لا يكفي لتكوين الأورام (Levental et al. ، 2009) ، مما يشير إلى أن تحرير إعادة تشكيل ECM هو عامل مساعد وليس محفزًا أوليًا لتكوين الأورام في الثدي.

ديناميات غير طبيعية ECM أثناء تطور السرطان

طورت الكائنات متعددة الخلايا العديد من الآليات الزائدة عن الحاجة لمنع الخلية التي تتكامل بشكل وثيق مع الخلايا الأخرى في الأنسجة الوظيفية من أن تصبح سرطانية وتؤدي إلى فشل العضو وزوال الكائن الحي. للتغلب على هذه التدابير الوقائية وتصبح سرطانية ، يجب أن تتراكم الخلية خصائص متعددة للأورام تؤدي في النهاية إلى تحول خبيث. وتشمل هذه اكتساب الخلايا السرطانية القدرة على البقاء والنمو والغزو (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).

ملاحظات ختامية

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.

الكلمات الدالة: Adipose tissue Extracellular matrix Fibrosis Insulin resistance Integrins.

حقوق النشر © 2016 Elsevier Inc. جميع الحقوق محفوظة.

الأرقام

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. أمراض الجهاز الهضمي. 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. ياء إمونول. 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. أمراض الجهاز الهضمي. 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. [النشر الإلكتروني قبل الطباعة]. 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 في الجسم الحي

التحديات

Many challenges still exist when investigating macrophage biology, both في المختبر و في الجسم الحي. 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 في المختبر 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 في المختبر 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 في الجسم الحي. 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 في المختبر أو خارج الجسم الحي studies at end stage time points. There is a great need for techniques to identify phenotypes through protein expression في الجسم الحي. 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 في الجسم الحي-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 في الجسم الحي. 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 و مIL4+IL13 induced BMDMs في المختبر (125), thus warranting further investigation into the use of FLIM to identify macrophage activation في المختبر و في الجسم الحي. 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.

الشكل 2. Intravital imaging of mammary carcinoma in a MMTV-PyMT mouse. 2-photon scanning laser microscopy allows for the في الجسم الحي observation of tumor cells (high in NADH intensity, 780 nm excitation), collagen fibers through second harmonic generation (890 nm excitation), and (أ) 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). (ب) FAD HI cells which depict primarily macrophage stromal cells (119). (ج) NADH fluorescence lifetime overlay on mask of mCherry+ cells (color map of NADH τm lifetime). (د) 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.


النقاط الرئيسية

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 في المختبر 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), إلخ. have been used. 63,64 However, it is difficult to comprehensively understand the roles of ECM from these studies focusing on single ECM molecules. في المختبر ECM models mimicking native ECM will be a powerful tool. dECM is expected to be a suitable في المختبر 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.


شاهد الفيديو: G-scan Linear Valve Learing Value Initialization on a Toyota Prius 2011 (ديسمبر 2022).