Введение

Дюротаксис – это форма клеточной миграции, при которой клетки направляются градиентами жёсткости, возникающими из-за различий в структурных свойствах внеклеточного матрикса (ВКМ). Большинство нормальных клеток мигрируют по направлению к увеличению жёсткости (в направлении большей жёсткости).

История исследований дюротаксиса

Процесс дюротаксии требует от клетки активного восприятия окружающей среды, обработки механического стимула и реализации ответа. Изначально считалось, что это свойство, возникающее у метазоев, поскольку явление требует сложного сенсорного контура, зависящего от взаимодействия множества различных клеток. Однако, по мере накопления значительного объема научной литературы в конце 1980-х и на протяжении 1990-х годов, стало очевидно, что отдельные клетки обладают аналогичной способностью. Первые наблюдения дюротаксиса в изолированных клетках показали, что механические стимулы могут вызывать инициацию и удлинение аксонов в сенсорных и мозговых нейронах цыплят, а также индуцировать подвижность в ранее неподвижных эпидермальных кератоцитах рыб. Также было установлено, что жесткость внеклеточного матрикса (ЭКМ) влияет на жесткость цитоскелета, сборку фибронектиновых фибрилл, прочность взаимодействий цитоскелета с интегринами, морфологию и скорость подвижности – все факторы, известные своим влиянием на миграцию клеток. На основе этих наблюдений Ло и его коллеги выдвинули гипотезу о том, что отдельные клетки способны определять жесткость субстрата посредством активного тактильного зондирования, при котором клетки прикладывают сократительные силы и измеряют возникающую деформацию субстрата. Подтвердив это собственными экспериментами, эта группа исследователей в 2000 году в статье, опубликованной в журнале Biophysical Journal, ввела термин "дуротаксис". Более поздние исследования подтверждают предыдущие наблюдения и принцип дюротаксии, предоставляя дальнейшие доказательства миграции клеток по градиенту жесткости и морфологических изменений, зависящих от жесткости. Например, было показано, что концентрация коллагена коррелирует с жесткостью матрицы как in vivo, так и in vitro (в гелях).

Синтезирование различной жесткости

Матрицы различной жесткости обычно создаются для экспериментальных и терапевтических целей (например, коллагеновые матрицы для заживления ран). Дюротактические градиенты создаются путем формирования двухмерных субстратов из полимера (например, акриламида или полидиметилсилоксана), в которых жесткость контролируется плотностью сшивания, определяемой концентрацией сшивающего агента. Полимер необходимо покрыть материалом, обеспечивающим адгезию клеток, таким как коллаген или фибронектин. Сами градиенты часто синтезируются в виде гидрогелей с использованием микрофлюидных генераторов градиентов с последующей фотополимеризацией. Дальнейшим развитием этой техники является использование трехмерных матриц, способных направлять миграцию клеток в условиях, более близких к естественной трехмерной среде обитания клеток. Местом контакта клетки с внеклеточным матриксом является очаговое сцепление – крупный, динамичный белковый комплекс, соединяющий цитоскелет с волокнами ЭКМ через несколько организованных слоев взаимодействующих белков. Интегрины – это самые внешние белки, непосредственно связывающиеся с лигандами ЭКМ. Однако очаговые сцепления – это не просто якоря; их белки выполняют множество функций в передаче сигналов. Эти белки, такие как фокальная адгезионная киназа (FAK), талин, винкулин, паксиллин и α-актинин, взаимодействуют с малыми GTPазами (Rho, Rac, Cdc42) и другими сигнальными путями для передачи даже незначительных изменений жесткости матрицы и, как следствие, реагируют на изменения формы клетки, сократимости актомиозина и организации цитоскелета. В результате эти изменения могут приводить к перестройке цитоскелета клетки для облегчения направленной миграции. Цитоскелет клетки – это постоянно меняющаяся сеть полимеров, организация которой в значительной степени зависит от физической среды клетки. В очаговых сцеплениях клетка оказывает тяговое усилие, то есть притягивает ЭКМ. Таким образом, клетка поддерживает механический гомеостаз между жесткостью ЭКМ и цитоскелетным натяжением в области своих очаговых сцеплений. Этот гомеостаз динамичен, поскольку комплексы очаговых сцеплений непрерывно формируются, реорганизуются и распадаются, что приводит к изменениям в передаче сигналов и последующим клеточным реакциям. Клеточная сигнализация является результатом как физических, так и биохимических свойств ЭКМ, а взаимодействие между этими двумя путями имеет решающее значение для понимания клеточных ответов. Например, костный морфогенетический белок (BMP) – фактор роста – не способен индуцировать остеогенез при недостаточной цитоскелетной напряженности. Источником цитоскелетной тяги является сократимость актомиозина. Увеличение внешней жесткости приводит к каскаду передачи сигнала, который активирует малую GTPазу Rho и Rho-ассоциированную киназу (ROCK). ROCK, в свою очередь, контролирует фосфорилирование легкой цепи миозина, событие, запускающее активность миозиновой АТФазы и укорочение актиновых волокон, вызывая сокращение и натяжение ЭКМ. Хотя точный путь, связывающий жесткость ЭКМ с активностью ROCK, неизвестен, наблюдение увеличения тяги в ответ на увеличение жесткости ЭКМ достаточно для объяснения феномена дюротаксиса. Более сильная механическая обратная связь притягивает клетку к более жесткой области, вызывая смещение направленного движения и оказывая другое влияние на организацию цитоскелета и очаговых сцеплений. Недавние исследования показали, что отдельные очаговые сцепления не обязательно оказывают стабильное тяговое усилие в ответ на неизменную жесткость ЭКМ. Фактически, в то время как некоторые отдельные очаговые сцепления могут проявлять стабильное тяговое усилие, другие демонстрируют тяговое усилие в виде повторяющегося цикла натяжения и расслабления. Свойства очаговых сцеплений – стабильные или тяговые – не зависят от их соседей, и, следовательно, каждое очаговое сцепление действует автономно. Показано, что такое тяговое усилие не требуется для других форм миграции клеток, таких как хемотаксис и гаптотаксис, но необходимо для дюротаксиса. Для проявления высокой тяги и тягового усилия в широком диапазоне жесткостей ЭКМ необходимы фокальные адгезионные белки (FAK/паксиллин/винкулин) и их взаимодействия, зависящие от фосфорилирования, а также их асимметричное распределение внутри клетки (например, активация и транслокация YAP в ядро посредством pFAK, активированного жесткостью). Кроме того, снижение напряжения в очаговых сцеплениях путем переноса клеток на более мягкую ЭКМ или ингибирования ROCK приводит к переключению очаговых сцеплений из стабильного состояния в тяговое. Таким образом, механосенсоринг жесткости позволяет клетке оценивать жесткость матрицы с разрешением, соответствующим расстоянию между очаговыми сцеплениями в клетке (≈1–5 мкм).

Клиническое значение

Роль дюротаксиса в физиологических условиях остаётся невыясненной. Он может участвовать в тонкой настройке двигательной реакции клетки на внеклеточные биохимические сигналы, однако степень вклада дюротаксиса в физиологической среде, где клетка подвергается воздействию других видов навигации (например, хемотаксиса), неизвестна и, возможно, окажется несущественной для миграции клеток in vivo. Данное явление также может играть роль в развитии ряда заболеваний, связанных с повышением жесткости тканей, как описано ниже.

Рак

Общеизвестно, что опухоли более жесткие, чем окружающие ткани, и это даже используется как основа для самостоятельного обследования груди на предмет рака. Фактически, сообщалось, что ткани рака молочной железы могут быть в десять раз жестче, чем нормальные ткани. Более того, рост и метастазирование опухоли предполагает взаимодействие множества различных типов клеток, таких как фибробласты и эндотелиальные клетки, обладающих разной жесткостью, что может приводить к локальным градиентам жесткости, направляющим миграцию клеток. Накапливаются данные о том, что дюротаксис играет роль в метастазировании рака. Эксперименты на мышах показали, что опухолевые клетки предпочтительно проникают в прилегающую строму вдоль жестких коллагеновых волокон. Эти жесткие выравнивания коллагена можно использовать для выявления очагов микроинвазии клеток опухоли молочной железы. Беременность, которая связана с заболеваемостью и прогнозом рака молочной железы, включает послеродовую инволюцию молочной железы, основанную на ремоделировании коллагена и воспалении, которые превращают эти коллагеновые волокна в более жесткие структуры, тем самым устанавливая потенциальную связь между беременностью и метастатическими свойствами. Хотя некоторые исследования показывают, что более жесткие опухоли указывают на увеличение метастазирования и снижение выживаемости (что противоречит концепции о том, что дюротаксические клетки должны быть более привлечены к опухоли и, следовательно, метастазировать меньше), это не кажется парадоксальным, поскольку коллаген-зависимая интегранная сигнализация имеет широкий спектр последствий, выходящих за рамки дюротаксиса, включая ингибирование опухолевого супрессора PTEN посредством повышения регуляции miRNA miR-18a. Кроме того, есть данные, подтверждающие, что повышенная жесткость опухоли действительно коррелирует со снижением метастазирования, как и предполагает принцип дюротаксиса. Увеличение жесткости печени (существующего коллагена) фактически предшествует фиброзу и необходимо для активации фиброгенных миофибробластов. Фибробласты перемещаются к более жесткой ткани посредством дюротаксиса. Этот порочный круг положительной обратной связи, основанный на дюротаксисе и фиброзе, потенциально может служить терапевтической мишенью для профилактики фиброза печени.

Атеросклероз

Патология атеросклероза во многом определяется миграцией клеток гладких мышц сосудов (VSMC) в интиму кровеносного сосуда, где они могут накапливать липиды, подвергаться некрозу и синтезировать внеклеточный матрикс (фиброз). Показано, что миграция этих клеток зависит от жёсткости, а жёсткость матрикса дополнительно влияет на их пролиферацию в ответ на факторы роста.