Кіріспе

Дюротаксис – жасушалардың қозғалысының бір түрі, онда жасушалар жасушадан тыс матрицаның (ECM) әртүрлі құрылымдық ерекшеліктерінен пайда болатын қаттылық градиенттерімен бағытталады. Көптеген қалыпты жасушалар қаттылық градиенттері бойымен қозғалады (қаттылығы жоғарылатын бағытта).

Дюротаксис зерттеуінің тарихы

Дюротаксис процесі жасушаның қоршаған ортаны белсенді түрде сезуін, механикалық стимулды өңдеуін және жауап беруін қажет етеді. Бастапқыда бұл метазоаларға тән туа біткен қасиет деп есептелген, себебі бұл құбылыс көптеген әртүрлі жасушалардың байланысына тәуелді күрделі сенсорлық циклды талап етеді. Алайда, 1980 жылдардың соңында және 1990 жылдары ғылыми әдебиеттер көбейген сайын, жеке жасушалардың да осыған қабілетті екені анық болды. Оқшауланған жасушалардағы дуротаксистің алғашқы байқаулары, механикалық стимулдар балапандардың сезім және ми нейрондарының аксондарының басталуына және ұзаруына, сондай-ақ бұрын қозғалмайтын балықтың эпидермалық кератоциттерінде қозғалыс тудыруы мүмкін екенін көрсетті. ЭКМ (шығарылымдық матрица) қаттылығының цитоскелеттік қаттылыққа, фибронектин фибрилдерінің құрастырылуына, интеграл цитоскелеттік өзара әрекеттесулерінің күшіне, морфологияға және қозғалыс жылдамдығына әсер ететіні де анықталды, бұл факторлардың барлығы жасушалардың қозғалуына ықпал етеді. Бұрынғы байқаулар негізінде Ло және оның әріптестері жеке жасушалар субстраттың қаттылығын белсенді тактильдік зерттеу арқылы анықтай алады деген гипотезаны ұсынды, онда жасушалар жиырылғыш күштерді қолданып, субстраттағы деформацияны өлшейді. Өз тәжірибелерімен қолдау көрсеткен бұл команда 2000 жылы жарияланған «Биофизикалық журналда» «дуротаксис» терминін енгізді. Жақындағы зерттеулер бұрынғы байқауларды және дуротаксис принципін растайды, жасушалардың қаттылық градиенттері бойымен қозғалуы және қаттылыққа тәуелді морфологиялық өзгерістер туралы мәліметтер жинақталуда. Мысалы, коллаген концентрациясының матрица қаттылығымен байланысты екені in vivo және in vitro (гельдер) жағдайында көрсетілген.

Түрлі қаттылықтағы синтездеу

Түрлі қаттылықтағы матрицалар тәжірибелік және терапиялық мақсаттарда (мысалы, жараның жазылуына арналған коллаген матрицалары) жиі қолданылады. Дюротактикалық градиенттерді полимерден (мысалы, акриламид немесе полидиметилсилоксаннан) 2 өлшемді субстраттар жасау арқылы құруға болады, онда қаттылық қиылыспалы тығыздықпен, ал ол өз кезегінде қиылыспалы байланыстырушы концентрациясымен реттеледі. Полимерді жасушалардың жабысуына мүмкіндік беретін материалмен, мысалы, коллаген немесе фибронектинмен қаптау қажет. Градиенттер көбінесе микрофлюидтік градиент генераторларын пайдалана отырып, фотополимерлеуден кейін гидрогель ретінде синтезделеді. Бұл техниканы жетілдіру – 3D матрицаларды қолдану, олар жасушалардың көшіп кетуін жасушаның табиғи үш өлшемді ортасына жақын жағдайларда басқара алады. Жасушалық матрицамен жасушаның байланыс орны – ошақтық адгезия, цитоскелетті бірнеше өзара әрекеттесетін ақуыздардың ұйымдастырылған қабаттары арқылы ЭКМ талшықтарына жалғастыратын үлкен, динамикалық ақуыз кешені. Интегриндер – ең сыртқы ақуыздар және олар тікелей ЭКМ лигандтарына байланысады. Дегенмен, ошақтық адгезиялар қарапайым бекіткіштерден гөрі күрделірек, олардың ақуыздары сигнал беруде маңызды рөл атқарады. Ошақтық адгезиялық киназа (FAK), талин, винкулин, паксилин және α-актинин сияқты ақуыздар шағын GTPазалармен (Rho, Rac, Cdc42) және басқа да сигналдық жолдармен өзара әрекеттеседі, матрицаның қаттылығындағы тіпті кішкентай өзгерістерді жеткізіп, жасуша пішінінің, актомиозиннің жиырылуының және цитоскелеттік ұйымның өзгеруіне жауап береді. Нәтижесінде, бұл өзгерістер жасушаның цитоскелетін қайта ұйымдастыруына мүмкіндік береді. Жасушаның цитоскелеті – полимерлердің үнемі өзгеретін желісі, оның ұйымдастырылуы жасушаның физикалық ортасына өте байланысты. Ошақтық адгезияда жасуша тартылу күшін тудырады, яғни ол ЭКМ-ді тартады. Осылайша, жасуша ЭКМ қаттылығы мен цитоскелеттік кернеу арасындағы механикалық гомеостазды сақтайды. Бұл гомеостаз динамикалық, өйткені ошақтық адгезиялық кешендер үнемі құрылады, қайта құрылады және ыдырайды, бұл сигнал трандукциясының және жасушалық жауаптардың өзгеруіне әкеледі. Жасушалық сигнализация ЭКМ-нің физикалық және биохимиялық қасиеттерінің нәтижесі болып табылады, ал осы екі жолдың өзара әрекеттесуі жасушалық жауаптарды түсіну үшін маңызды. Мысалы, сүйек морфогенетикалық белок (BMP) – өсу факторы – жеткілікті цитоскелеттік кернеу болмағанда остеогенезді тудыра алмайды. Цитоскелеттік тартылудың көзі – актомиозиннің жиырылуы. Сыртқы қаттылықтың артуы кіші GTPаза Rho және Rho-мен байланысты киназаны (ROCK) белсендіретін сигнал трандукциясы каскадына әкеледі. ROCK өз кезегінде миозиннің жеңіл тізбекті фосфорилирлеуін басқарады, бұл миозин АТФ-аза белсенділігін және актин талшықтарының қысқаруын тудырады, ЭКМ-ді қысқартуға және тартуға себеп болады. ЭКМ қаттылығын ROCK белсенділігімен байланыстыратын нақты механизм белгісіз болса да, ЭКМ қаттылығының артуына жауап ретінде тартылудың күшеюін байқау дюротаксис құбылысын түсіндіруге жеткілікті. Күшті механикалық кері байланыс жасушаны қаттырақ аймаққа қарай тартады, бағыттық қозғалыстың бұрылуына және цитоскелеттік және ошақтық адгезия ұйымына басқа да салдарларға әкеледі. Соңғы зерттеулер жеке ошақтық адгезиялар ЭКМ-нің өзгермейтін қаттылығына жауап ретінде тұрақты тартылу күштерін міндетті түрде көрсетпейтінін көрсетті. Шын мәнінде, кейбір жеке ошақтық адгезиялар тұрақты тартылу күштерін көрсетсе, басқалары қайталанатын тарту және босату циклы түрінде тарту тартылуын көрсетеді. Ошақтық адгезияның қасиеттері – тұрақты немесе тартылатын – көршілеріне тәуелсіз, сондықтан әр ошақтық адгезия автономды түрде әрекет етеді. Бұл тартылу тартылуының басқа жасушалық көшіру формаларына, мысалы, химиотаксис пен гаптотаксиске қажет емес екені, бірақ дюротаксис үшін қажет екені көрсетілді. Ошақтық адгезиялық ақуыздар (FAK/паксилин/винкулин) және олардың фосфорилдануға тәуелді өзара әрекеттесулері, сондай-ақ жасуша ішіндегі асимметриялық таралуы (яғни, қаттылық белсендірілген pFAK арқылы YAP белсенділігі және ядролық транслокация) ЭКМ қаттылықтарының кең ауқымында жоғары тартылу және тартылу тартылуын көрсету үшін қажет. Бұдан әрі, жасушаларды жұмсақ ЭКМ-ге көшіру немесе ROCK-ті тежеу ошақтық адгезияның тұрақты күйден тартылатын күйге өтуіне әкеледі. Осылайша, қаттылықты механосезіну жасушаға жасуша ішіндегі ошақтық адгезия аралығының шешімімен (≈1-5 мкм) матрицаның қаттылығын бағалауға мүмкіндік береді.

Клиникалық маңызы

Физиологиялық жағдайларда дуротаксияның рөлі әлі белгісіз. Ол клетканың сыртқы биохимиялық сигналдарға жауап ретінде қозғалысын дәлдеуге көмектесуі мүмкін, бірақ клетка басқа таксистерге (мысалы, химиотаксис) ұшырасатын физиологиялық ортада дуротаксияның салыстырмалы үлесі белгісіз, тіпті клетканың тірі организмде миграциясы үшін мүлдем қажет емес болуы мүмкін. Бұл құбылыс тіндердің қатаюымен байланысты бірнеше ауруларда да маңызды рөл атқаруы мүмкін, олар төменде сипатталған.

Қатерлі ісік

Ісіктердің айналадағы тіндерден қаттырақ екені жиі байқалады, тіпті бұл өздігінен емделу үшін негіз болып табылады. Шындығында, сүт безінің қатерлі ісігінің тіні қалыпты тінден он есеге дейін қаттырақ болуы мүмкін екені хабарланды. Бұдан әрі, өсіп, метастаздаған ісіктің дамуы фибробластар және эндотелий жасушалары сияқты әртүрлі жасушалардың ынтымақтастығын қамтиды, олардың әрқайсысының қаттылығы әртүрлі, және бұл жасушалардың қозғалысын бағыттайтын жергілікті қаттылық градиенттерін тудыруы мүмкін. Дюротаксистің қатерлі ісік метастаздарының дамуында рөл атқаратынына қатысты дәлелдер көбейіп келеді. Егешқұйрықтарда жүргізілген тәжірибелер ісік жасушаларының қатты коллаген талшықтарымен жақын жердегі стромаға қалаулы түрде енетінін көрсетті. Бұл қатты коллагендік құрылымдарды сүт безі ісігі жасушаларының микроинвазиясының ошақты жерлерін анықтау үшін пайдалануға болады. Жүктілік, емшек қатерлі ісігінің пайда болуымен және оның барысымен байланысты болатын, босанғаннан кейінгі сүт безінің инволюциясын қамтиды, ол коллагенді қайта құруға және қабынуға негізделген, бұл коллаген талшықтарын қаттырақ аналогтарға айналдырады, сонымен қатар жүктілік пен метастаздық қасиеттер арасындағы байланыс орнатылады. Кейбір зерттеулер қатты ісіктердің метастаздың күшеюімен және өмір сүру ұзақтығының қысқаруымен байланысты екенін көрсетеді (бұл дюротаксистік жасушалардың ісікке тартылып, аз метастаздануы керек деген түсінікке қайшы келеді), бірақ бұл интуитивті емес, себебі коллагенге тәуелді интегралин сигналдауы дюротаксистен басқа көптеген салдарға әкеледі, соның ішінде миРНК miR-18a арқылы ісікке қарсы PTEN белгісін тежеу. Сонымен қатар, ісіктің қаттылығының артуы метастаздың азаюымен байланысты екеніне дәлелдер бар, бұл дюротаксис принципіне сәйкес келеді. Бауырдың қаттылығының (бар коллагеннің) өсуі фиброзға дейін жүреді және фиброгенді миофибробластардың белсенділігі үшін қажет. Фибробластар дюротаксис арқылы қатты тіндерге қарай қозғалады. Дюротаксиске тәуелді фиброздың бұл оң кері байланыс циклы бауыр фиброзын алдын алу үшін терапиялық мақсатқа айналуы мүмкін.

Атеросклероз

Атеросклероз патологиясы көбінесе қан тамырларының тегіс бұлшық еттер клеткаларының (ТБЕК) қан тамырының туника интима қабатына миграциялануына байланысты, онда олар липидтерді жинақтайды, некрозға ұшырайды және ЭКМ (фиброз) өндіреді. Бұл клеткалардың миграциясы қаттылыққа тәуелді екені көрсетілген, ал матрицаның қаттылығы өсу факторларына жауап ретінде олардың көбеюіне қосымша әсер етеді.