De eiwitten die de extracellulaire matrix vormen die een cel omgeeft, bestaan ​​als vezels. Hoe de afstand tussen deze matrixeiwitvezels de clustering van de integrines van de celoppervlakreceptoren beïnvloedt en hoe dit de vorming van door integrine gemedieerde cel-matrixadhesies en daaropvolgende celverspreiding beïnvloedt, was de focus van een recente studie onder leiding van Dr. Rishita Changede, Senior Research Fellow bij het Mechanobiology Institute, Nationale Universiteit van Singapore. De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Ruimte tussen matrixvezels beïnvloedt integrineclustering en adhesievorming

Stel je voor dat je een beek oversteekt door rotsen te gebruiken die eroverheen zijn uitgestrooid als steunpunten. Of je je een weg kunt banen, hangt niet alleen af ​​van hoeveel rotsen er zijn, maar vooral ook over de ligging van deze rotsen langs de beek. Als je volgende voet aan de grond ook maar een beetje te ver weg is, het oversteken van die stroom kan moeilijk worden, of soms, onmogelijk.

Hetzelfde geldt voor cellen in ons lichaam die zich proberen te hechten aan oppervlakken, de matrix genoemd, onder hen. Bepaalde 'receptoren' op de buitenste laag van de cel, voornamelijk leden van de integrinefamilie van eiwitten, fysiek interageren met partner 'ligand'-eiwitten die in de matrix aanwezig zijn, zoals collageen en fibronectine. De cel gebruikt deze verbindingen in feite als steunpunten om zich over de matrix te verspreiden en te verplaatsen of om matrixeigenschappen te voelen. Net als bij de rotsen in onze stroomanalogie, de 'cellulaire steunpunten' moeten optimaal verdeeld zijn in de matrix om celhechting en normaal cellulair functioneren te bevorderen.

Verschillende ligandgeometrieën maken

Binnen weefsels, de meeste ligand-eiwitten zijn gerangschikt als vezels in de matrix, in verschillende configuraties en dichtheden. De betekenis van ligandgeometrie - de specifieke rangschikking van ligandvezels - bij het bevorderen van de vorming en daaropvolgende stabilisatie van cel-matrixverbindingen was het onderwerp van onderzoek van een recent onderzoek uitgevoerd in het Sheetz Lab van het Mechanobiology Institute (MBI), Nationale Universiteit van Singapore.

Onder leiding van MBI Senior Research Fellow Dr. Rishita Changede en hoofdonderzoeker Prof Michael Sheetz, en waarbij wetenschappers van de Columbia University betrokken zijn, ONS., de studie gebruikte een techniek genaamd elektronenstraallithografie om aangepaste, patronen op nanoschaal (gemaakt van titanium- of goud-palladiumlijnen) op kunstmatige oppervlakken om ligandgeometrieën na te bootsen die in levende weefsels worden aangetroffen.

De onderzoekers creëerden ofwel eendimensionale (1D) of tweedimensionale (2D) nanopatronen. 1-D patronen inclusief enkele lijnen, terwijl 2D-patronen gepaarde lijnen bevatten (met een onderlinge afstand van 50 of 80 nm), kruisende lijnen (die elkaar kruisen in een hoek van 25 graden), en hexagonale stippatronen (stippen op een onderlinge afstand van 40 nm). Na het patroon, de nano-lijnen werden gecoat met ligand-eiwitten en het onderzoeksteam observeerde en mat microscopisch hoe bindweefselcellen, bekend als fibroblasten, groeiden op verschillende geometrieën.

Integrine-betrokkenheid op 1D- en 2D-patronen

Eerder werk van Dr. Changede toonde aan dat slechts vier integrinemoleculen samenkomen om clusters te vormen die typisch 110 nm groot zijn. Deze ontluikende integrineclusters functioneren als basismodules die celbetrokkenheid met liganden initiëren om grotere cel-matrixverbindingen te vormen. Daarom, de onderzoekers theoretiseerden dat alleen die nanopatronen waarin de liganden minder dan 110 nm uit elkaar liggen, een stabiele integrine-betrokkenheid en daaropvolgende celverspreiding mogelijk zullen maken.

Ligandgeometrie als de kritische factor voor celspreiding

In overeenstemming hiermee, de onderzoekers merkten verschillen op in de mate van betrokkenheid van integrineclusters en celspreiding, gebaseerd op de ligandgeometrie op elk van deze nanopatronen:1D enkele lijnen die 250 nm of 500 nm uit elkaar lagen, ondersteunden geen integrineclusterbetrokkenheid en celverspreiding; echter, wanneer de lijnen 160 nm uit elkaar lagen (iets meer dan de integrineclustergrootte), er werden enkele verbindingen gevormd en cellen konden zich tot op zekere hoogte verspreiden. Anderzijds, 2D-patronen, inclusief gepaarde en kruisende lijnen en zeshoekige stippen, ondersteunde significante betrokkenheid van integrineclusters en celverspreiding.

Opmerkelijk, een dergelijke hogere integrineclusterbetrokkenheid en celspreiding vond plaats op 2-D-patronen ondanks dat de liganddichtheid (aantal liganden in een bepaald gebied) soms hoger was op 1D-enkele lijnen dan op 2-D-patronen zoals hexagonale stippen. Deze waarneming bevestigde een grotere rol voor ligandgeometrie dan liganddichtheid bij het beheersen van de vorming van cel-matrixverbindingen en het bevorderen van cellulaire functies zoals de verspreiding en beweging ervan langs weefsels.

Het is bekend dat cel-matrixverbindingen de belangrijkste plaatsen zijn voor mechanotransductie (het doorgeven van mechanische signalen) tussen een cel en zijn omgeving; ze oefenen trekkrachten uit op de onderliggende matrix, ze gebruiken om de mechanische eigenschappen van de matrix te testen. Deze informatie wordt vervolgens intern doorgegeven via eiwitcomplexen die zijn gerekruteerd bij de verbindingen, om verschillende veranderingen binnen een cel te bewerkstelligen.

In de fibreuze matrix die cellen in een weefsel omringt, hoe deze ligandvezels zich ten opzichte van elkaar bevinden, is van het grootste belang bij het bepalen hoe mechanotransductiegebeurtenissen worden gemedieerd. Wanneer de vezels te dichtbij of te ver zijn, de integrines kunnen niet stabiel aangrijpen en de vorming van cel-matrixverbindingen initiëren. Als resultaat, Mechanotransductiepaden gaan mis, leiden tot onregelmatige cellulaire reacties die de algehele integriteit van het weefsel kunnen aantasten. Door de aandacht te vestigen op het belang van ligandgeometrie bij de vorming van integrine-afhankelijke verbindingen, de huidige studie voegt verdere details toe aan de moleculaire mechanismen die krachtbemiddeling regelen via cel-matrixverbindingen, en de impact ervan op celverspreiding en -beweging.