细胞外基质一览

介绍

细胞外基质（ECM）是存在于所有组织和器官中的非细胞成分，不仅为细胞成分提供必要的物理支架，而且还启动组织形态发生、分化和内环境稳定所需的关键生化和生物力学线索。ECM的重要性通过ECM蛋白的遗传异常引起的从轻微到严重的各种综合征生动地说明(Jarvelainen等人，2009年). 虽然ECM基本上由水、蛋白质和多糖组成，但每个组织都有一个ECM，其独特的组成和拓扑结构是在组织发育过程中通过动态相互作用生成的，各种细胞成分（如上皮细胞、成纤维细胞、脂肪细胞、内皮细胞元件）与进化中的细胞和蛋白质微环境之间的生化和生物物理对话。事实上，ECM的物理、拓扑和生化组成不仅具有组织特异性，而且具有明显的异质性。细胞与ECM的粘附由ECM受体介导，如整合素、盘状体域受体和合成癸烷(哈伯格和卡尔德伍德，2009年;汉弗莱斯等人，2006年;Leitinger和Hohenester，2007年;Xian等人，2010年). 粘附介导细胞骨架与ECM的耦合，并参与细胞通过ECM的迁移(施密特和弗里德尔，2010年). 此外，ECM是一种高度动态的结构，它不断被酶或非酶改造，其分子成分受到无数翻译后修饰。通过这些物理和生物化学特性，ECM产生每个器官的生物化学和机械特性，如其拉伸和压缩强度以及弹性，并通过维持细胞外稳态和保水的缓冲作用介导保护。此外，ECM通过结合生长因子（GFs）并与细胞表面受体相互作用来诱导信号转导和调节基因转录，从而指导重要的形态组织和生理功能。ECM在给定组织中的生物化学和生物力学、保护和组织特性在不同组织之间（例如，肺与皮肤相对骨骼），甚至在一个组织内（例如，肾皮质相对肾髓质），以及从一种生理状态到另一种状态（正常对癌）可能会有巨大差异。在这篇《细胞科学概览》文章中，我们简要描述了ECM的主要分子成分，然后将正常简单上皮组织中的ECM与病理修饰组织中的EC进行比较，例如老化组织、损伤或纤维化组织和肿瘤。我们特别关注ECM的组成和结构及其与细胞成分的相互作用，并详细描述了引起组织中定义的拓扑和粘弹性变化的常见翻译后修饰。随后，我们讨论了ECM重塑对细胞行为的功能影响，包括ECM张力变化引起的GF敏感性改变。由于空间限制和基底膜（BM）是一种独特的ECM，已在其他地方进行了详细审查(LeBleu等人，2007年)，我们在这里关注的是简单腺上皮组织的间质基质。我们通过简单讨论天然和合成ECM的应用来完成我们的综述，这些ECM既可以用于重述培养中的间质ECM以研究组织行为，也可以用于解构和分析特定ECM参数（刚度、纤维取向、配体呈现、维度）激发特定的细胞行为。

钻头和碎片–ECM的分子组成

ECM由两大类大分子组成：蛋白聚糖（PG）和纤维蛋白（见方框1和2) (Jarvelainen等人，2009年;谢弗和谢弗，2010年). 主要的纤维ECM蛋白是胶原蛋白、弹性蛋白、纤维连接蛋白和层粘连蛋白（见海报的面板1）(Alberts等人，2007年). 前列腺素以水合凝胶的形式填充组织内大部分细胞外间隙(方框1)（有关详细信息，请参阅Jarvelainen等人，2009年). PG具有多种功能，反映了其独特的缓冲、水合、结合和抗力特性。例如，在肾小球BM中，perlecan在肾小球滤过中起作用(Harvey and Miner，2008年;Morita等人，2005年). 相比之下，在导管上皮组织中，核心蛋白、二聚糖和卢米卡聚糖与胶原纤维结合，在ECM内生成对机械缓冲和水合作用至关重要的分子结构，并且通过结合GFs，为这些因素提供了一个简单、酶可访问的存储库(Iozzo和Murdoch，1996年).

胶原蛋白是间质ECM中最丰富的纤维蛋白，占多细胞动物总蛋白量的30%。胶原是ECM的主要结构元件，提供抗拉强度，调节细胞粘附，支持趋化性和迁移，并指导组织发育(Rozario和DeSimone，2010年).间质胶原的大部分由位于基质中或从邻近组织吸收的成纤维细胞转录和分泌(De Wever等人，2008年). 通过对基质施加张力，成纤维细胞能够将胶原纤维组织成片状和索状，从而显著影响胶原纤维的排列。虽然在特定组织中，胶原纤维通常是不同类型的异质混合物，但通常以一种类型的胶原为主。

胶原蛋白与弹性蛋白结合，弹性蛋白是ECM的另一种主要纤维。弹力纤维为反复拉伸的组织提供反冲力。重要的是，弹性蛋白的拉伸受到与胶原纤维紧密结合的严重限制(怀斯和维斯，2009年). 分泌的原弹性蛋白（弹性蛋白的前体）分子组装成纤维，并通过赖氨酸残基由赖氨酸氧化酶（LOX）家族成员相互高度交联，包括LOX和LOXL(卢塞罗和卡根，2006年). 弹性蛋白纤维被糖蛋白微纤丝覆盖，主要是纤维蛋白，这对弹性蛋白纤维的完整性也至关重要(怀斯和维斯，2009年).

第三种纤维蛋白，纤维连接蛋白（FN）密切参与指导间质ECM的组织，此外，在介导细胞粘附和功能方面起着关键作用。FN可以通过细胞牵引力在其静止长度上拉伸几倍(Smith等人，2007年). FN的这种力依赖性去折叠暴露了分子内的隐性整合素结合位点，导致细胞行为的多效性改变，并暗示FN是一种细胞外机械调节因子(Smith等人，2007年). 事实上，“紧张”FN通过暴露其协同位点来调节α5β1整合素的捕获键“力激活”和粘附组装(Friedland等人，2009年). FN在发育过程中对细胞迁移也很重要，并且与心血管疾病和肿瘤转移有关(Rozario和DeSimone，2010年;Tsang等人，2010年). 与FN一样，其他ECM蛋白（如tenascin）对细胞行为具有多效性作用，包括促进伤口愈合过程中成纤维细胞的迁移(Trebaul等人，2007年;塔克和奇奎特·埃里斯曼，2009年). 事实上，在一些转化组织的基质中，tenascin C和W的水平升高，它们可以抑制syndecan4和FN之间的相互作用，从而促进肿瘤生长和转移(塔克和奇奎特·埃里斯曼，2009年).

正常的定义–ECM和组织稳态

正常的腺上皮组织由一层简单的上皮细胞组成，采用顶端-基底极性，基底侧与骨髓接触，顶端侧与充满液体的腔相对。在一些腺上皮中，有一层基底或肌上皮细胞层，将腔上皮与间质ECM隔开(Barsky和Karlin，2005年). 上皮组织的内稳态依赖于组织组织的维持以及与周围基质的动态对话，基质主要由非活化的成纤维细胞和脂肪细胞组成，以及稳定的过渡、非刺激白细胞群(Ronnov-Jessen等人，1996年). 因此，非激活组织成纤维细胞分泌并组织I型和III型胶原蛋白、弹性蛋白、纤维连接蛋白、tenascin和一系列PG（透明质酸和聚糖），所有这些都维持了间质ECM的结构和功能完整性。大多数腺上皮组织，包括乳腺、唾液腺、肺和前列腺，都处于张力内稳态状态，因此它们的正常状态是高度机械顺应的(Paszek和Weaver，2004年). 顺应性组织中的ECM由I型和III型胶原和弹性蛋白的松弛网状物组成，这些胶原和弹性蛋白与FN一起形成松弛的纤维网络，这些纤维被含有PGs的糖胺聚糖链的水凝胶包围并嵌入其中(博斯曼和斯塔门科维奇，2003年). 因此，胶原蛋白和弹性蛋白纤维的松弛网络允许健康ECM抵抗广泛的拉伸应力。由于水合糖胺聚糖（GAG）网络与纤维ECM分子的结合，具有功能活性的正常组织也可以轻松抵抗压缩应力(斯科特，2003). 因此，组织ECM是一个高度动态的实体，持续进行调节性重塑，其精确的协调对维持正常功能至关重要(Egeblad等人，2010年;Kass等人，2007年). 组织内稳态由成纤维细胞金属蛋白酶（MMPs）的协同分泌介导(Mott和Werb，2004年)；这被金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）抵消(Cruz-Munoz和Khokha，2008年)以及其他酶的受控活性，如LOX，以及交联并因此加强ECM的转谷氨酰胺酶(卢塞罗和卡根，2006年). 绑定到ECM的过多GF指导这些过程(弗里德尔，2010年;Hynes，2009年;Macri等人，2007年;村上等人，2008年;Oehrl和Panayotou，2008年). 这些ECM-结合的GF对细胞生长和迁移有不同的调节作用，当释放时，构成对正常组织内环境稳定至关重要的严格控制反馈电路的一部分(Hynes，2009年).

强化–ECM和组织老化

随着组织年龄的增长，连接蛋白（如钙粘附素、连环蛋白或闭塞素）的水平降低，这种丢失可能会损害连接完整性，如上皮细胞之间出现缝隙所示(Akintona等人，2008年;博洛尼亚，1995年). 旧组织的特征可能是骨髓变薄因为MMP介导的降解增加和BM蛋白合成减少(卡拉汉和威廉，2008年). 此外，老年组织中的常驻成纤维细胞生长受阻，对凋亡信号具有抵抗力，这表明衰老(Campisi和d'Adda di Fagagna，2007年). 事实上，衰老成纤维细胞通常表达高水平的FN、MMPs、GFs、白细胞介素和细胞因子，以及高水平的纤溶酶原激活物抑制剂（PAI）(Coppe等人，2010年)和线粒体相关活性氧（ROS）(Untergasser等人，2005年)因此，经常处于慢性炎症状态。事实上，慢性炎症和升高的MMPs、PAI和ROS的结合破坏了弹性蛋白网络的完整性并改变了胶原纤维网络，而组织相关GAG水平的降低则损害了BM的完整性(卡拉汉和威廉，2008年;Calleja Agius等人，2007年;野村，2006). 然而，有些矛盾的是，在老化组织中，胶原蛋白纤维经常——不适当地——通过糖基化、脂质氧化副产物和紫外线照射交联(罗宾斯，2007). 胶原蛋白交联增加和不适当的结合有助于组织硬化，因此老化组织的机械强度较低，弹性较小，但也比年轻组织更坚硬(Calleja-Agius等人，2007年;罗宾斯，2007年). 这种异常的机械状态会严重损害ECM组织，并改变上皮组织和功能，可能会促进与年龄相关的疾病，如癌症(Coppe等人，2010年;Freund等人，2010年;Sprenger等人，2008年).

张力稳态与纤维化

急性损伤激活纤维生成机制并诱导伤口愈合。表征伤口反应的首批事件之一是血管损伤和纤维蛋白凝块的形成，它刺激单核细胞浸润受损的ECM。单核细胞与ECM降解产物和细胞因子结合后迅速分化为巨噬细胞(克拉克，2001年). 这些活化的巨噬细胞反过来分泌和释放多种GFs、MMPs和细胞因子，促进血管生成并刺激成纤维细胞迁移和增殖(Schultz和Wysocki，2009年). 此后，招募的成纤维细胞开始合成并沉积大量ECM蛋白，包括I型和III型胶原、FN和透明质酸。与这种深度ECM沉积相关的机械应力升高可诱导成纤维细胞和其他组织旁细胞转分化，即上皮细胞的上皮-间充质转化（EMT），或循环骨髓源间充质干细胞向肌成纤维细胞的转分化(Schultz和Wysocki，2009年;Velnar等人，2009年). 肌成纤维细胞具有很强的合成ECM成分的能力，并且具有高度的收缩性，可以促进大而坚硬的胶原束的形成，如果通过LOX酶交联，这些胶原束可以机械地加强和硬化组织(Szauter等人，2005年). 这种受伤的“硬化”微环境破坏了围绕上皮的BM，破坏了组织的完整性，失去了根尖-基底极性，破坏了细胞-细胞粘附的稳定性。重塑的ECM还促进组织内细胞向伤口部位的定向迁移(Schafer和Werner，2008年). 在某些情况下，通过张力和基质金属蛋白酶释放转化生长因子β（TGF-β）诱导常驻上皮的EMT(Schultz和Wysocki，2009年;Wipf等人，2007年;Xu等人，2009年). 在健康组织中，一旦伤口重新填充，就会启动严格的反馈机制，以确保组织内稳态的恢复和纤维化的解决(Schultz和Wysocki，2009年;Velnar等人，2009年). 在极端条件下，如反复损伤或正常反馈机制受到损害时，ECM持续合成、沉积和重塑，肌成纤维细胞继续存在，其中TIMP的产生优先于MMP的合成。这些异常情况会促进慢性血管重塑和增强ECM交联，最终导致异常纤维化和组织无法正常愈合。这种异常的伤口愈合场景的特征是机械稳定性的改变和疤痕组织典型的弹性降低(基塞莱娃和布伦纳，2008年). 在极端情况下，慢性伤口也会促进肿瘤表型(De Wever等人，2008年).

肿瘤——形势严峻

癌症是组织组织的丧失和细胞成分的异常行为。细胞转化是遗传突变和表观遗传改变的结果。然而，肿瘤也被比作无法愈合的伤口(Schafer和Werner，2008年). 因此，肿瘤基质具有未愈合伤口的一些特征(Bissell和Radisky，2001年). 例如，肿瘤的特征是比周围正常组织更坚硬。肿瘤的僵硬是由ECM沉积和常驻成纤维细胞的重塑以及转化上皮的收缩性增加引起的(Butcher等人，2009年;Levental等人，2009年). 此外，趋化因子和GFs(De Wever等人，2008年)诱导炎症并改变浸润性T淋巴细胞的功能(Tan和Coussens，2007年). 组织炎症增强基质成纤维细胞活化并诱导其转分化为肌成纤维细胞，从而加剧和促进组织结缔组织增生(De Wever等人，2008年;Desmouliere等人，2004年). 肌成纤维细胞沉积大量ECM蛋白，分泌GFs并对ECM施加强大的收缩力(De Wever等人，2008年;Desmouliere等人，2004年). 因此，新沉积和重塑的胶原蛋白和弹性蛋白纤维重新定向，然后通过LOX和谷氨酰胺转胺酶交联，从而产生更大、更硬的纤维，进一步加固组织ECM(Butcher等人，2009年;Erler和Weaver，2009年;Levental等人，2009年;卢塞罗和卡根，2006年;Payne等人，2007年;罗德里格斯等人，2008年). MMPs，由肿瘤细胞和肌成纤维细胞分泌和激活(De Wever等人，2008年;Kessenbrock等人，2010年)还重塑肿瘤周围的BM，释放并激活ECM-嵌入的GF(博斯曼和斯塔门科维奇，2003年;Kessenbrock等人，2010年). GFs的释放，包括血管内皮生长因子（VEGF），增强血管通透性，促进新血管生长，从而产生间质组织压力。因此，肿瘤相关的ECM硬化、由常驻肿瘤细胞诱导的ECM相互抵抗以及肌上皮和细胞生成的收缩性之间的放大电路充当了一个恶性、积极的反馈回路，以增强肿瘤的生长和存活。这会诱导血管生成和侵袭，并最终促进转移(Butcher等人，2009年;Erler和Weaver，2009年;Paszek和Weaver，2004年;Paszek等人，2005年).

我们从这里要去哪里？天然和合成ECM面临的挑战

考虑到ECM对许多基本细胞过程的重要性，人们开发了大量组织培养模型来研究其生化和生物物理特性之间的相互作用，并了解ECM连接调节的细胞行为的分子起源。在评估细胞粘附的基本性质及其对细胞行为的影响方面，大多数癌症研究人员都依赖于用纯化的制剂或ECM蛋白混合物涂覆组织培养皿（无论是塑料还是玻璃），以获得2D单层(Kuschel等人，2006年). 为了解决ECM刚性问题，与重构基膜（rBM）交联的功能化聚丙烯酰胺（PA）凝胶已成为标准方法，该基膜由Engelbreth-Holm-Swarm小鼠癌（商用Matrigel™）、I型胶原、FN或ECM肽生成(Johnson等人，2007年;Pelham和Wang，1997年). 然而，这些策略都没有如实地再现组织内细胞的行为，这不仅需要3D格式，还需要易于重塑的ECM。为了解决3D和ECM重塑的问题，研究人员使用天然ECM和重组ECM凝胶来重述组织特异性分化和结构的特定方面（见海报，小组3）。例如，rBM模拟内源性上皮基底膜的一些生化和生物物理特性，经常用于3D器官型培养分析、异种移植操作或组织工程，以及研究组织特异性形态发生（例如分支、腺泡形成）和分化(Kleinman和Martin，2005年;Kleinman等人，1986年). 不幸的是，尽管Matrigel™等BM制剂有助于研究正常上皮或内皮行为，并区分某些组织的“正常”和“恶性”行为，但其成分复杂且基本确定，无法重建天然间质ECM的物理状态。纤维蛋白也被用作天然生物可降解支架，在血管组织工程中取得了一定的成功，但缺乏天然间质ECM的机械强度和耐久性(Blomback和Bark，2004年;Shaikh等人，2008年). 相比之下，I型胶原相当有用，可以与rBM、纯化层粘连蛋白或FN结合，以重建正常和疾病间质ECM的某些生物学方面(弗里斯，1998;Gudjonsson等人，2002年). 此外，I型胶原蛋白容易组装成机械张力的纤维网络，可以定向、功能修饰、酶或化学交联和硬化。因此，I型胶原凝胶是评估胶原和FN硬度的作用以及组织在肿瘤进展和侵袭发病机制中的作用的有用底物(Levental等人，2009年;Provenzano等人，2009年). 然而，胶原蛋白凝胶是非常异质的，改变其结构会改变其组织结构、孔径和配体浓度，从而使使用这种天然支架进行的实验产生的数据的解释变得复杂(Johnson等人，2007年). 为了解决这个问题，组织工程师和生物材料专家已经从各种组织中制造出了无涂层ECM支架(Macchiarini等人，2008年). 这些支架与种子干细胞集落结合，可以以合理的保真度重建正常组织(鲁托夫等人，2009年). 还从各种组织中分离和提取了ECM，例如小肠、皮肤（尸体）、胰腺和乳房(Rosso等人，2005年)这些ECM被用来设计皮肤移植(巴迪拉克，2007年)促进伤口愈合，研究肿瘤进展。猪源性小肠粘膜下层（SIS）就是一个这样的例子，它已被证明在治疗疝气患者方面取得了临床成功(Franklin等人，2002年)（在中审查巴迪拉克，2007年). 尽管这些纯化的ECM肯定有有用的应用，但由于在组织再生和干细胞移植中需要明确定义的微环境，因此其使用范围有限，其中动物副产物和污染物有限。此外，为了了解ECM对细胞分化和形态发生产生不同影响的分子和生物物理机制，使用能够可靠复制的化学和物理定义的模块化ECM至关重要。在这方面，已经开发出具有定义和可调成分、组织、力学和ECM重塑能力的合成矩阵。事实上，为了满足这一需求，描述用于组织再生的合成ECMs的产生和应用的出版物激增，读者可以参考一些关于这些主题的优秀评论(Ayres等人，2009年;Dutta和Dutta，2009年;鲁托夫和哈贝尔，2005年;McCullen等人，2009年;Rosso等人，2005年;Zisch等人，2003年). 聚乙二醇（PEG）水凝胶就是一个例子，聚乙二醇水凝胶是常用的生物相容合成基质，可支持细胞粘附、存活和生长(鲁托夫和哈贝尔，2005年). 尽管这些基质可以用ECM配体、胶原酶可降解肽和GFs共价修饰(Ehrbar等人，2007年;Zisch等人，2003年)，它们不模仿天然胶原蛋白凝胶的组织特征，通常它们的孔径会强烈阻碍细胞迁移。相比之下，肽基水凝胶，如肽双歧化物，组装成二级结构，重新组装胶原蛋白三螺旋，并容易支持干细胞的生长和活力，并指导多细胞形态发生(Hauser和Zhang，2010年;Sieminski等人，2008年;Smith和Ma，2004年;Ulijn和Smith，2008年). 这些多肽-双歧化物易于通过天然蛋白质和MMP-可降解ECM多肽的共价结合进行修饰。或者，聚乳酸-乙醇酸（PLGA），乙醇酸和乳酸的共聚物(McCullen等人，2009年)由于其水解成乳酸和乙醇酸，因此具有天然的生物降解性，已经开发出来，可以很容易地与各种ECM配体和肽结合，或者用胶原蛋白或壳聚糖包裹以支持细胞粘附、存活和生长。事实上，该领域最令人兴奋的最新进展之一是模块化生物相容性ECM的开发，它包含配体结合盒，并具有可调刚度特性，允许以2D和3D格式精确地绘制细胞粘附的图案(塞尔维亚人和普雷斯特维奇，2008年). ECM组织是细胞行为的一个关键方面，这一认识导致了新方法的开发，并产生了ECM，其纤维大小、取向、刚度、配体结合功能和重塑潜力可以严格控制和监测，包括电纺丝和乳酸聚合物（PLLA）和PLGA脚手架(Zhang等人，2009年). 由可扩展生物相容性PEG形成的各向异性纳米基底(Kim等人，2010年;Smith等人，2009年)是生物材料领域令人兴奋的新发展，其生物应用的唯一主要障碍似乎是缺乏生理培养分析和动物模型的功能评估。虽然只有时间能够证明新一代生物材料是否真的有用，但这是一个成为ECM生物学家的吸引人的时刻，我们的下一个挑战将是拥抱这种诱人的新工具的自助餐——希望这最终能让我们破译矩阵的语言。

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