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La matriz extracelular
Matriz extracelular.png
Ilustración que muestra la matriz extracelular ( membrana basal y matriz intersticial) en relación con el epitelio , el endotelio y el tejido conectivo
Detalles
Identificadores
latínMatriz extracelular
Acrónimo (s)ECM
MallaD005109
THH2.00.03.0.02001
Términos anatómicos de microanatomía

En biología , la matriz extracelular ( MEC ) es una red tridimensional que consta de macromoléculas y minerales extracelulares , como colágeno , enzimas , glicoproteínas e hidroxiapatita que brindan soporte estructural y bioquímico a las células circundantes. [1] [2] [3] Porque la multicelularidadevolucionado de forma independiente en diferentes linajes multicelulares, la composición de ECM varía entre estructuras multicelulares; sin embargo, la adhesión celular, la comunicación de célula a célula y la diferenciación son funciones comunes del ECM. [4]

La matriz extracelular animal incluye la matriz intersticial y la membrana basal . [5] La matriz intersticial está presente entre varias células animales (es decir, en los espacios intercelulares). Los geles de polisacáridos y proteínas fibrosas llenan el espacio intersticial y actúan como un amortiguador de compresión contra la tensión ejercida sobre el ECM. [6] Las membranas basales son depósitos de MEC en forma de láminas sobre los que descansan varias células epiteliales . Cada tipo de tejido conectivo en animales tiene un tipo de MEC: las fibras de colágeno y el mineral óseo comprenden la MEC del tejido óseo ;las fibras reticulares y la sustancia fundamental comprenden el ECM del tejido conectivo laxo ; y el plasma sanguíneo es la ECM de la sangre .

La ECM de la planta incluye componentes de la pared celular , como celulosa, además de moléculas de señalización más complejas. [7] Algunos organismos unicelulares adoptan biopelículas multicelulares en las que las células están incrustadas en un ECM compuesto principalmente por sustancias poliméricas extracelulares (EPS). [8]

Estructura [ editar ]

1: Microfilamentos 2: Bicapa de fosfolípidos 3: Integrina 4: Proteoglicano 5: Fibronectina 6: Colágeno 7: Elastina

Los componentes de la ECM son producidos intracelularmente por células residentes y secretados en la ECM mediante exocitosis . [9] Una vez secretadas, se agregan con la matriz existente. El ECM está compuesto por una malla entrelazada de proteínas fibrosas y glicosaminoglicanos (GAG).

Proteoglicanos [ editar ]

Los glicosaminoglicanos (GAG) son polímeros de carbohidratos y en su mayoría se unen a proteínas de la matriz extracelular para formar proteoglicanos (el ácido hialurónico es una excepción notable; ver más abajo). Los proteoglicanos tienen una carga negativa neta que atrae iones de sodio cargados positivamente (Na + ), que atraen moléculas de agua por ósmosis, manteniendo la MEC y las células residentes hidratadas. Los proteoglicanos también pueden ayudar a atrapar y almacenar factores de crecimiento dentro del ECM.

A continuación se describen los diferentes tipos de proteoglicanos que se encuentran dentro de la matriz extracelular.

Sulfato de Heparán [ editar ]

El sulfato de heprano (HS) es un polisacárido lineal que se encuentra en todos los tejidos animales. Se presenta como un proteoglicano (PG) en el que dos o tres cadenas HS están unidas muy cerca de la superficie celular o de las proteínas ECM. [10] [11] Es en esta forma que la 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 sanguínea y la metástasis tumoral .

En la matriz extracelular, especialmente en las membranas basales , las proteínas multidominio perlecano , agrina y colágeno XVIII son las principales proteínas a las que se une el heparán sulfato.

Sulfato de condroitina [ editar ]

Los condroitín sulfatos contribuyen a la resistencia a la tracción del cartílago, tendones , ligamentos y paredes de la aorta . También se sabe que afectan la neuroplasticidad . [12]

Sulfato de keratán [ editar ]

Los queratán sulfatos tienen un contenido variable de sulfato 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 [ editar ]

Ácido hialurónico [ editar ]

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 tanto, el ácido hialurónico se encuentra en abundancia en el ECM 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 trasloca fuera de la célula durante la biosíntesis. [13]

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 . [14]

Proteínas [ editar ]

Colágeno [ editar ]

Los colágenos son la proteína más abundante en la ECM. De hecho, el colágeno es la proteína más abundante en el cuerpo humano [15] [16] y representa el 90% del contenido de proteína de la matriz ósea. [17] Los colágenos están presentes en la MEC como proteínas fibrilares y dan soporte estructural a las células residentes. El colágeno se exocita en forma precursora ( procolágeno ), que luego es escindido por proteasas de procolágeno para permitir el ensamblaje extracelular. 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.. [9] El colágeno se puede dividir en varias familias según los tipos de estructura que forman:

  1. Fibrilar (Tipo I, II, III, V, XI)
  2. Facit (Tipo IX, XII, XIV)
  3. Cadena corta (Tipo VIII, X)
  4. Membrana basal (tipo IV)
  5. Otros (Tipo VI, VII, XIII)

Elastina [ editar ]

Las elastinas , a diferencia de los colágenos, dan elasticidad a los tejidos, lo que les permite estirarse cuando es necesario y 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 grandes cantidades de elastinas. Las elastinas son sintetizadas por fibroblastos y células de músculo liso . Las elastinas son altamente 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. Luego, las tropoelastinas se desaminan para incorporarse a la hebra de elastina. Trastornos comocutis laxa y el síndrome de Williams se asocian con fibras de elastina deficientes o ausentes en el ECM. [9]

Vesículas extracelulares [ editar ]

En 2016, Huleihel et al., Informaron sobre la presencia de ADN, ARN y nanovesículas unidas a la matriz (MBV) dentro de los biosandamios de ECM. [18] 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. De manera similar a los biocaffolds de ECM, los MBV pueden modificar el estado de activación de los macrófagos y alterar diferentes propiedades celulares tales como; proliferación, migración y ciclo celular. Ahora se cree que los MBV son un componente clave integral y funcional de los bioandamios de ECM.

Proteínas de adhesión celular [ editar ]

Fibronectina [ editar ]

Las fibronectinas son glicoproteínas que conectan las células con las fibras de colágeno en el ECM, lo que permite que las células se muevan a través del ECM. Las fibronectinas se unen al colágeno y a las integrinas de la superficie celular , lo que provoca una reorganización del citoesqueleto de la célula para facilitar el movimiento celular. Las fibronectinas son secretadas por las células en forma inactiva y desplegada. 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 celular al área afectada durante la cicatrización de la herida. [9]

Laminina [ editar ]

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 una red que resisten las fuerzas de tracción en la lámina basal. También ayudan en la adhesión celular. Las lamininas se unen a otros componentes ECM como colágenos y nidogenos . [9]

Desarrollo [ editar ]

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 ECM determinan las propiedades del tejido conectivo.

Los fibroblastos son el tipo de célula más común en la MEC del tejido conectivo, en la que sintetizan, mantienen y proporcionan un marco estructural; los fibroblastos secretan los componentes precursores de la ECM, 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 [ editar ]

Rigidez y elasticidad [ editar ]

El ECM puede existir en diversos grados de rigidez y elasticidad , desde tejidos blandos del cerebro hasta tejidos óseos duros. La elasticidad del ECM puede diferir en varios órdenes de magnitud. Esta propiedad depende principalmente de las concentraciones de colágeno y elastina , [2] y recientemente se ha demostrado que juega 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. [19] Esto juega un papel importante porque ayuda a regular muchos procesos celulares importantes, incluyendo la contracción celular, [20] migración celular , [21] proliferación celular , [22] diferenciación [23] y muerte celular ( apoptosis ). [24] La inhibición de la miosina II no muscular bloquea la mayoría de estos efectos, [23] [21] [20] lo que indica que de hecho están vinculados a la detección de las propiedades mecánicas del ECM, que se ha convertido en un nuevo foco de investigación durante la última década.

Efecto sobre la expresión genética [ editar ]

Las diferentes propiedades mecánicas en ECM ejercen efectos tanto en el comportamiento celular como en la expresión génica . [25] 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 actina - miosina , cuyas fuerzas contráctiles se transmiten a través de estructuras transcelulares, juegan un papel clave en las vías moleculares aún por descubrir. [20]

Efecto sobre la diferenciación [ editar ]

La elasticidad 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 extrema sensibilidad a la elasticidad a nivel de tejido. MSCs colocados en matrices suaves que diferencian cerebro imitador en neuronas células -como, que muestran una forma similar, RNAi perfiles, marcadores citoesqueleto, y factor de transcripción niveles. De manera similar, las matrices más rígidas que imitan al músculo son miogénicas, y las matrices con rigidez que imitan al hueso colágeno son osteogénicas. [23]

Durotaxis [ editar ]

Artículo principal: Durotaxis

La rigidez y la elasticidad también guían la migración celular , este proceso se llama durotaxis . El término fue acuñado por Lo CM y sus colegas cuando descubrieron la tendencia de las células individuales a migrar hacia arriba en gradientes de rigidez (hacia sustratos más rígidos) [21] y se ha estudiado ampliamente desde entonces. Se cree que los mecanismos moleculares detrás de la durotaxis existen principalmente en la adhesión focal , un gran complejo de proteínas que actúa como el sitio principal de contacto entre la célula y la MEC. [26] 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. [27] Se cree que estos cambios causan reordenamientos citoesqueléticos para facilitar la migración direccional .

Función [ editar ]

Debido a su naturaleza y composición diversas, la ECM puede cumplir muchas funciones, como proporcionar soporte, 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. [5] 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 mediada por factores de crecimiento de las funciones celulares sin síntesis de novo . Este efecto se ha explorado en un estudio teórico y de modelado en el que VEGFC , MMP2 ycolágeno se utilizó como ejemplo. [28]

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 ECM 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 serina proteasas , treonina proteasas y metaloproteinasas de matriz . [5] [29]

La rigidez y elasticidad de la ECM tiene importantes implicaciones en la migración celular , la expresión génica [30] y la diferenciación . [23] Las células detectan activamente la rigidez de la ECM y migran preferentemente hacia superficies más rígidas en un fenómeno llamado durotaxis . [21] También detectan la elasticidad y ajustan su expresión genética 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. [31]

En el cerebro, donde el hialuronano es el componente principal de ECM, 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 células inmunes como la microglía . [32]

Adhesión celular [ editar ]

Muchas células se unen a componentes de la matriz extracelular. La adhesión celular puede ocurrir de dos formas; por adherencias focales , conectando la ECM a los filamentos de actina de la célula, y hemidesmosomas , conectando la ECM a los 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 ECM, como la fibronectina y la laminina, y también a las proteínas integrinas de la superficie de otras células.

Las fibronectinas se unen a macromoléculas ECM y facilitan su unión a integrinas transmembrana. La unión de la fibronectina al dominio extracelular inicia las vías de señalización intracelular, así como la asociación con el citoesqueleto celular a través de un conjunto de moléculas adaptadoras como la actina . [6]

Importancia clínica [ editar ]

Ver también: medicina regenerativa

Se ha descubierto que la matriz extracelular provoca el recrecimiento 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. [18] [33] En los fetos humanos, por ejemplo, la matriz extracelular trabaja con las 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 curar los ligamentos rotos, pero se está investigando más a fondo como un dispositivo para la regeneración de tejidos en humanos. [34]

En términos de reparación de lesiones e ingeniería de tejidos , la matriz extracelular tiene dos propósitos principales. Primero, evita que el sistema inmunológico se active a causa de la lesión y responda con inflamación y tejido cicatricial. A continuación, facilita que las células circundantes repare el tejido en lugar de formar tejido cicatricial. [34]

Para aplicaciones médicas, el ECM requerido generalmente se extrae de las vejigas de cerdo , una fuente de fácil acceso y relativamente no utilizada. En la actualidad, se usa con regularidad 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 usando una forma en polvo en los veteranos de la guerra de Irak cuyas manos resultaron dañadas en la guerra. [35]

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" (ASD), "foramen oval permeable" (FOP) y hernia inguinal . Después de un año, el 95% del ECM de colágeno en estos parches es reemplazado por el tejido blando normal del corazón. [36]

Las proteínas de la 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 usar para apoyar el cultivo de células 3D in vitro para modelar el desarrollo de tumores. [37]

Una clase de biomateriales derivados del procesamiento de tejidos humanos o animales para retener porciones de la matriz extracelular se llama ECM Biomaterial .

En plantas [ editar ]

Las células vegetales están teseladas 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 como 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 glicoproteínas 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 las 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 estrechamente regulados y permiten selectivamente que moléculas de tamaños específicos pasen entre las células. [13]

En Pluriformea ​​y Filozoa [ editar ]

La funcionalidad de la matriz extracelular de los animales (Metazoa) se desarrolló en el ancestro común de Pluriformea y Filozoa , después de que la Ichthyosporea divergiera. [ cita requerida ]

Historia [ editar ]

La importancia de la matriz extracelular se ha reconocido desde hace mucho tiempo (Lewis, 1922), pero el uso del término es más reciente (Gospodarowicz et al., 1979). [38] [39] [40] [41]

Ver también [ editar ]

  • Red perineuronal
  • Intersticio
  • Anoikis

Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

  • Matriz extracelular: revisión de sus roles en heridas agudas y crónicas
  • Uso de matriz extracelular de cerdos para regenerar extremidades humanas
  • Sound Medicine - Heart Tissue Regeneration - Entrevista del 19 de julio sobre la ECM y sus usos en la reparación del tejido cardíaco (requiere reproducción de MP3).