Из школьного курса биологии известно, что все живые организмы состоят из клеток. Но ткани многих многоклеточных организмов, прежде всего животных, состоят не только из клеток, но и из внеклеточного матрикса, который обеспечивает клеткам механическую поддержку, помогает сохранять определенное расположение в пространстве и влияет на многие физиологические показатели.
Клетка на волокнах
Фото: Предоставлено Дмитриемй Багровым и Анастасией Соколовой
Клетка на волокнах
Фото: Предоставлено Дмитриемй Багровым и Анастасией Соколовой
Внеклеточный матрикс — это сложное образование, состав и структура которого зависят от функций, выполняемых тканью или органом. У человека и животных он представляет собой волокнистую структуру, состоящую в основном из гиалуроновой кислоты и структурных белков (коллагена, фибронектина, эластина и других). Взаимодействие между клетками и внеклеточным матриксом имеет огромное значение для многих процессов в норме и при патологии.
Это взаимодействие рассматривают с использованием двух основных подходов — биохимического и физического. Первый из них предполагает определение белков, которые участвуют в формировании контактов между клетками и волокнами матрикса, а также способов передачи сигналов через эти белки. Второй подход задает вопросы, как рельеф и механические свойства матрикса влияют на клетки и как клетки могут влиять на матрикс — делать его жестче или мягче, натягивать и т. п. Ученые сравнительно недавно осознали важность физических параметров и долгое время им не уделяли должного внимания из-за того, что их сравнительно сложно измерить и стандартизовать.
Считается, что существует определенный набор механических параметров внеклеточного матрикса, оптимальных для роста клеток: жесткости, пластичности, деформации, механического напряжения и других. Клетки способны регистрировать эти параметры и реагировать на их изменения — этот процесс называется механотрансдукцией. Если жесткость субстрата и напряжение в нем недостаточны, активируются сигнальные пути, ответственные за синтез компонентов внеклеточного матрикса. Кроме того, клетка натягивает субстрат в местах контактов с ним (в так называемых фокальных контактах). Если же жесткость субстрата и напряжение в нем превышают оптимальные значения, клетка снижает передаваемую субстрату нагрузку, уменьшает секрецию компонентов матрикса и выделяет разрушающие его ферменты (например, металлопротеиназы). Передача внешних механических сил через цитоскелет на ядро приводит к активации механочувствительных каналов на поверхности ядерной мембраны, вследствие чего меняется активность внутриядерных образований: происходит сворачивание хроматина, изменяется доступ ключевых белков к сайтам регуляции и транскрипции генов.
Нарушения регуляции этого цикла может быть причиной различных патологий: фиброза (образование рубцов в различных органах), остеопороза, атеросклероза. Особенное значение механические свойства внеклеточного матрикса имеют в контексте онкологических заболеваний. Несмотря на то что отправной точкой образования опухоли является генетический сбой, развитие опухоли определяется в том числе и процессами, происходящими во внеклеточном матриксе.
Рассмотрим этот процесс на примере эпителиальных тканей. В норме эпителиальные клетки имеют полярное строение (клетки имеют «верх» и «низ»), плотно соединены друг с другом и отделены от основной массы матрикса (стромы) базальной мембраной. В строме находятся фибробласты и неактивированные иммунные клетки, а сам внеклеточный матрикс напоминает свободную сеть, сплетенную из коллагена первого и третьего типов, эластина, фибронектина и погруженную в гель протеогликанов. Такая структура обеспечивает устойчивость к различным воздействиям: растяжению, сдавливанию. Фибробласты помимо коллагена вырабатывают белки, его разрушающие,— металлопротеиназы, а также их ингибиторы. Количество этих белков регулируется самими же клетками в ответ на сигналы извне, в том числе механические. Таким образом, за счет постоянной обратной связи поддерживается нормальная структура ткани.
Когда происходит злокачественная трансформация эпителиальных клеток, они начинают секретировать различные факторы роста, которые облегчают активацию и дифференцировку фибробластов. Принимая сигнал «слишком мягко», фибробласты уменьшают количество металлопротеиназ, усиливают секрецию белков внеклеточного матрикса и, следовательно, увеличивают его жесткость. Кроме того, эпителиальные раковые клетки вырабатывают набор сигналов, имитирующих воспаление, что способствует превращению обычных фибробластов в опухоль-ассоциированные. У таких клеток «сломана» биологическая обратная связь. Они постоянно секретируют коллаген и белки, сшивающие его в толстые тяжи, из-за чего жесткость стромы постоянно повышается. Повышение жесткости матрикса, в свою очередь, способствует повышению агрессивности раковых клеток. Неконтролируемый рост клеток приводит к тому, что самые агрессивные начинают искать пути эвакуации. Они разлагают жесткий внеклеточный матрикс своими металлопротеиназами и мигрируют к кровеносным сосудам по тем тяжам, которые выложили для них опухоль-ассоциированные фибробласты. Так происходит метастазирование. Мигрирующие раковые клетки выходят из сосудов в отдаленных органах и начинают вырабатывать сигналы, модифицирующие среду, чтобы развить вторичные опухоли.
Именно поэтому многие опухоли мягких тканей обнаруживают как уплотнения, это часто бывает, например, при раке груди, кожи, предстательной железы и других. Повышенная жесткость опухоли определяется одновременным действием нескольких факторов: быстрого деления клеток, разрастания и уплотнения внеклеточного матрикса, разрастания сети сосудов, в некоторых случаях увеличением давления внеклеточной жидкости. Более жесткие опухоли обычно более устойчивы к химиотерапии, а значит, этот параметр может быть прогностическими и способствовать выбору терапии. На уровне отдельных клеток опухоль не жестче, а мягче: раковые клетки обычно на 20–50% мягче, чем нормальные. Это обычно объясняют тем, что раковые клетки имеют менее развитый актиновый цитоскелет — сеть волокон, которые обеспечивают движение клеток, помогают клеткам поддерживать форму и внутриклеточный транспорт. В здоровых клетках актиновый цитоскелет формирует хорошо заметные протяженные тяжи, а в раковых он сравнительно рыхлый и слабоструктурированный. Проще говоря, раковые клетки при быстром делении не успевают сформировать развитые волокна цитоскелета и меньше нуждаются в нем, чем нормальные клетки.
Как ученые исследуют механотрансдукцию? Для исследования взаимодействия между клеткой и субстратом можно использовать двумерные или трехмерные системы. Двумерные системы используются в клеточной биологии традиционно: клетки обычно выращивают на донышках чашек Петри или планшетов. Однако в последние годы становится ясно, что в таких системах не удается воспроизвести многие биологические особенности, и исследователи переходят к культивированию клеток на гелях. Клетки помещают на поверхность или в объем мягкого геля, который обычно делают на основе коллагена. Варьируя химический состав и условия приготовления геля, можно определить влияние жесткости субстрата на клетки — проследить, как от жесткости субстрата зависят их форма, скорость миграции, скорость деления и другие параметры.
Помимо жесткости на поведение клеток влияет рельеф субстрата. Например, если структура сформирована тяжами, то клетки будут вытягиваться вдоль них. Это явление называют «контактным ориентированием». Оно играет важную роль при формировании органов у эмбриона, затягивании ран и метастазировании. Словно поезд по рельсам, клетки движутся в «пункт назначения» — к месту, где должен быть глаз; в центр раны или в кровеносное русло. Так как не всегда возможно и удобно исследовать контактное ориентирование in vivo — в живых объектах, было предложено использовать подложки, на которых специальными физико-химическими методами сформированы выступы или бороздки. Чтобы более точно имитировать структуру внеклеточного матрикса, используют подложки из тончайших волокон. Их достоинство — возможность визуализировать контакты клетки с индивидуальными волокнами.
Подложка + вытянутые клетки
Фото: Предоставлено Дмитриемй Багровым и Анастасией Соколовой
Подложка + вытянутые клетки
Фото: Предоставлено Дмитриемй Багровым и Анастасией Соколовой
Как клетки меняют внеклеточный матрикс, так и матрикс влияет на их поведение. Более глубокое изучение не только биохимии, но и биофизики этого взаимодействия поможет углубить наши представления о живой ткани и молекулярных механизмах развития заболеваний, а также разработать имплантаты, которые приживаются в теле человека быстрее и менее болезненно, чем ныне существующие.