En biología celular , la durotaxis es una forma de migración celular en la que las células se guían por gradientes de rigidez , que surgen de propiedades estructurales diferenciales de la matriz extracelular (MEC). La mayoría de las células normales migran hacia arriba por gradientes de rigidez (en la dirección de una mayor rigidez). [1]
El proceso de durotaxis requiere que una célula detecte activamente el entorno, procese el estímulo mecánico y ejecute una respuesta. Originalmente, se creía que esto era una propiedad emergente de los metazoos , ya que el fenómeno requiere un circuito sensorial complejo que depende de la comunicación de muchas células diferentes. Sin embargo, a medida que la riqueza de la literatura científica relevante creció a fines de la década de 1980 y durante la década de 1990, se hizo evidente que las células individuales poseen la capacidad de hacer lo mismo. Las primeras observaciones de durotaxis en células aisladas fueron que los estímulos mecánicos podían causar la iniciación y elongación de los axones en las neuronas sensoriales y cerebrales de los polluelos e inducir la motilidad en los queratocitos epidérmicos de los peces previamente estacionarios. [2] [3] [4] [5] También se observó que la rigidez de la matriz extracelular influye en la rigidez del citoesqueleto , el ensamblaje de fibrillas de fibronectina , la fuerza de las interacciones integrina -citoesqueleto, la morfología y la tasa de motilidad, todos los cuales se sabía que influyen en la migración celular. [6] [7] [8] [9] [10]
Con información de las observaciones anteriores, Lo y sus colegas formularon la hipótesis de que las células individuales pueden detectar la rigidez del sustrato mediante un proceso de exploración táctil activa en el que las células ejercen fuerzas contráctiles y miden la deformación resultante en el sustrato. Con el apoyo de sus propios experimentos, este equipo acuñó el término "durotaxis" en su artículo en el Biophysical Journal en el año 2000. [11] Investigaciones más recientes respaldan las observaciones anteriores y el principio de la durotaxis, con evidencia continua de migración celular hacia arriba en gradientes de rigidez y cambios morfológicos dependientes de la rigidez [1] [12] [13]
La rigidez de la matriz extracelular es significativamente diferente entre los distintos tipos de células; por ejemplo, varía desde la matriz extracelular blanda del tejido cerebral hasta la del hueso rígido o la pared celular rígida de las células vegetales. Esta diferencia en la rigidez es resultado de las propiedades bioquímicas cualitativas y cuantitativas de la matriz extracelular o, en otras palabras, de la concentración y las categorías de las diversas macromoléculas que forman la red de la matriz extracelular. Aunque la matriz extracelular está compuesta por muchos componentes sintetizados intracelularmente (incluidos varios glicosaminoglicanos [GAG] y proteínas fibrosas como la fibronectina , la laminina , el colágeno y la elastina ), son las dos últimas fibras las que tienen mayor influencia a la hora de definir las propiedades mecánicas de la matriz extracelular.
El colágeno es la proteína fibrosa que le da a la matriz extracelular su resistencia a la tracción o rigidez. La elastina , como su nombre lo indica, es una proteína altamente elástica con un papel importante en los tejidos que necesitan volver a sus posiciones originales después de la deformación, como la piel , los vasos sanguíneos y los pulmones . Las concentraciones relativas de estos dos determinantes principales, junto con otros componentes de la matriz menos influyentes, determinan la rigidez de la matriz extracelular. [14] Por ejemplo, se ha informado que la concentración de colágeno está correlacionada con la rigidez de la matriz, tanto in vivo como in vitro (geles). [15] [16]
En la investigación biológica, la rigidez (o rigidez) se mide comúnmente utilizando el módulo de elasticidad de Young , la relación entre la tensión y la deformación a lo largo de un eje, en pascales . Por lo tanto, un material con un módulo de Young alto es muy rígido. [17] El método más preciso y mejor establecido para medir el módulo de Young de un tejido se basa en instrumentos, como el dispositivo de celda de carga Instron , que aplican directamente una carga mecánica y miden la deformación resultante. Ahora, el módulo de Young de un tejido se puede estimar de manera fácil y precisa sin escisión utilizando una variedad de técnicas de elastografía . Estos métodos inducen distorsión en el tejido y miden las propiedades mecánicas, generalmente con ultrasonido o resonancia magnética (MRI). [18]
El módulo de Young se ha utilizado en repetidas ocasiones para caracterizar las propiedades mecánicas de muchos tejidos del cuerpo humano. La rigidez de los tejidos animales varía en varios órdenes de magnitud, por ejemplo:
Las matrices de rigidez variable se diseñan comúnmente para fines experimentales y terapéuticos (por ejemplo, matrices de colágeno para la cicatrización de heridas [24] ). Los gradientes durotácticos se hacen simplemente creando sustratos bidimensionales a partir de polímero (por ejemplo, acrilamida [13] o polidimetilsiloxano ) en los que la rigidez está controlada por la densidad de reticulación, que a su vez está controlada por la concentración del reticulante. El polímero debe estar recubierto con un material al que la célula pueda adherirse, como colágeno o fibronectina . Los gradientes en sí mismos a menudo se sintetizan como hidrogeles utilizando generadores de gradientes microfluídicos seguidos de fotopolimerización . [25]
Un avance de esta técnica es el uso de matrices 3D, que son capaces de guiar la migración celular en condiciones más parecidas al entorno tridimensional natural de la célula. [26]
El sitio de contacto celular con la matriz extracelular es la adhesión focal , un complejo proteico grande y dinámico que conecta el citoesqueleto a las fibras de la matriz extracelular a través de varias capas organizadas de proteínas que interactúan. Las integrinas son las proteínas más externas y las que se unen directamente a los ligandos de la matriz extracelular. Sin embargo, las adhesiones focales son mucho más que simples anclas: sus proteínas tienen muchas funciones en la señalización. Estas proteínas, como la quinasa de adhesión focal (FAK), la talina , la vinculina , la paxilina y la α-actinina , interactúan con pequeñas GTPasas ( Rho , Rac , Cdc42 ) y otras vías de señalización para transmitir incluso pequeños cambios en la rigidez de la matriz y, en consecuencia, responder con cambios en la forma celular, la contractilidad de la actomiosina y la organización del citoesqueleto. Como resultado, estos cambios pueden hacer que una célula reorganice su citoesqueleto para facilitar la migración direccional. [27] [28]
El citoesqueleto de una célula es una red de polímeros en constante fluctuación cuya organización depende en gran medida del entorno físico de la célula. En las adherencias focales, una célula ejerce una fuerza de tracción. En otras palabras, tira de la matriz extracelular. De este modo, la célula mantiene una homeostasis mecánica entre la rigidez de la matriz extracelular y la tensión del citoesqueleto a través de sus adherencias focales. Esta homeostasis es dinámica, ya que los complejos de adhesión focal se construyen, remodelan y desmontan continuamente. Esto conduce a cambios en la transducción de señales y las respuestas celulares posteriores. [29] La señalización celular es un producto tanto de las propiedades físicas como bioquímicas de la matriz extracelular y la interacción entre estas dos vías es crucial para comprender las respuestas celulares. Por ejemplo, la proteína morfogenética ósea (BMP), un factor de crecimiento, no puede inducir osteogénesis bajo una tensión citoesquelética insuficiente. [30]
La fuente de tracción del citoesqueleto es la contractilidad de la actomiosina. El aumento de la rigidez externa conduce a una cascada de transducción de señales que activa la pequeña GTPasa Rho y la quinasa asociada a Rho (ROCK). La ROCK, a su vez, controla la fosforilación de la cadena ligera de miosina , un evento que desencadena la actividad de la ATPasa de miosina y el acortamiento de las fibras de actina, lo que provoca la contracción y la tracción de la matriz extracelular. [31] Aunque se desconoce la vía precisa que conecta la rigidez de la matriz extracelular con la actividad de la ROCK, la observación de una mayor tracción en respuesta a una mayor rigidez de la matriz extracelular es suficiente para explicar el fenómeno de la durotaxis. La retroalimentación mecánica más fuerte tiraría de la célula hacia la región más rígida y causaría un sesgo en el movimiento direccional y tendría otras consecuencias en la organización del citoesqueleto y la adhesión focal. [11]
En consecuencia, la durotaxis debe basarse en un muestreo continuo de la rigidez de la matriz extracelular en el espacio y el tiempo en un proceso llamado mecanodetección de rigidez. [32] Investigaciones recientes han revelado que las adherencias focales individuales no necesariamente ejercen fuerzas de tracción estables en respuesta a una rigidez inmutable de la matriz extracelular. De hecho, mientras que algunas adherencias focales individuales pueden mostrar fuerzas de tracción estables, otras exhiben tracción de tirón a la manera de un ciclo repetido de tirón y liberación. Las propiedades de las adherencias focales, ya sean estables o de tirón, son independientes de sus vecinas y, como tal, cada adherencia focal actúa de manera autónoma. Se ha demostrado que esta tracción de tirón es prescindible para otras formas de migración celular, como la quimiotaxis y la haptotaxis , pero necesaria para la durotaxis. Las proteínas de adhesión focal (FAK/paxilina/vinculina) -y sus interacciones dependientes de la fosforilación, así como su distribución asimétrica dentro de la célula (es decir, activación de YAP y translocación nuclear a través de pFAK activado por rigidez) [33] - son necesarias para exhibir alta tracción y tracción de tirón en una amplia gama de rigideces de la matriz extracelular. Además, una reducción en la tensión de adhesión focal mediante la transferencia de células a una matriz extracelular más blanda o mediante la inhibición de ROCK da como resultado que la adhesión focal cambie de estados estables a estados de tirón. Por lo tanto, la mecanodetección de rigidez permite que una célula muestree la rigidez de la matriz con la resolución del espaciado de adhesión focal dentro de una célula (≈1-5 μm). [1]
La integración de señales bioquímicas y mecánicas puede permitir un ajuste fino de la migración celular. Sin embargo, se desconoce el razonamiento fisiológico que subyace a la durotaxis (y, específicamente, a la tendencia de las células a migrar en gradientes de rigidez ascendentes).
El método moderno más extendido y preciso para medir las fuerzas de tracción que ejercen las células sobre el sustrato se basa en la microscopía de fuerza de tracción (TFM). El principio detrás de este método es medir la deformación en el sustrato calculando el desplazamiento bidimensional de las perlas fluorescentes que están incrustadas en la matriz. La TFM de alta resolución permite el análisis de las fuerzas de tracción en estructuras mucho más pequeñas, como las adherencias focales, con una resolución espacial de aproximadamente 1 μm. [34]
Se desconoce el papel de la durotaxis en condiciones fisiológicas. Puede tener la función de ajustar la respuesta de movimiento de una célula a señales bioquímicas extracelulares, aunque se desconoce la contribución relativa de la durotaxis en un entorno fisiológico en el que una célula está sujeta a otras exigencias (por ejemplo, la quimiotaxis ), y de hecho puede resultar totalmente prescindible para la migración celular in vivo . El fenómeno también podría tener un papel en varios estados patológicos que incluyen el endurecimiento de los tejidos, como se describe a continuación.
Es una observación común que los tumores son más rígidos que el tejido circundante, e incluso sirve como base para el autoexamen del cáncer de mama . De hecho, se ha informado que el tejido del cáncer de mama es hasta diez veces más rígido que el tejido normal. Además, un tumor en crecimiento y metástasis implica la cooperación de muchos tipos de células diferentes, como fibroblastos y células endoteliales , que poseen diferentes rigideces y podrían dar lugar a gradientes de rigidez locales que guíen la migración celular. [35] Cada vez hay más pruebas de que la durotaxis desempeña un papel en la metástasis del cáncer . Los experimentos en ratones han demostrado que las células tumorales invaden preferentemente el estroma adyacente a lo largo de fibras de colágeno rígidas. [36] Estas alineaciones de colágeno rígido se pueden utilizar para identificar sitios focales de microinvasión de células tumorales de mama. [37] El embarazo, que tiene varios vínculos con la incidencia y el pronóstico del cáncer de mama, implica una involución mamaria posparto que depende de la remodelación del colágeno y la inflamación que convierte estas fibras de colágeno en contrapartes más rígidas, estableciendo así un vínculo potencial entre el embarazo y las propiedades metastásicas. [38] Aunque algunas investigaciones muestran que los tumores más rígidos son indicativos de una mayor metástasis y una menor supervivencia (lo que contradice el concepto de que las células durotácticas deberían sentirse más atraídas por el tumor y hacer menos metástasis), esto no es contraintuitivo porque la señalización de integrinas dependiente del colágeno tiene una amplia gama de consecuencias más allá de la durotaxis, incluida la inhibición del supresor tumoral PTEN a través de la regulación positiva del miRNA miR-18a. [39] Además, hay evidencia de que una mayor rigidez tumoral de hecho se correlaciona con una menor metástasis, como sugeriría el principio de la durotaxis. [15]
La fibrosis hepática es la acumulación de proteínas de la matriz extracelular, como el colágeno, que se produce en muchas enfermedades hepáticas crónicas. [40] Se ha demostrado que el aumento de la rigidez hepática (del colágeno existente) precede a la fibrosis y es necesario para la activación de los miofibroblastos fibrogénicos. [41] Los fibroblastos se desplazan hacia el tejido más rígido a través de la durotaxis, [33] y, al llegar a él, se diferenciarán en miofibroblastos fibrogénicos. [42] Este círculo vicioso de retroalimentación positiva de la fibrosis dependiente de la durotaxis podría ser un objetivo terapéutico para la prevención de la fibrosis hepática.
La patología de la aterosclerosis depende en gran medida de la migración de las células musculares lisas vasculares (VSMC) hacia la capa íntima del vaso sanguíneo, donde pueden acumular lípidos, sufrir necrosis y elaborar la matriz extracelular (fibrosis). [43] También se ha demostrado que la migración de estas células depende de la rigidez, y la rigidez de la matriz afecta aún más su proliferación en respuesta a factores de crecimiento . [44] [45]
Se han utilizado varios modelos matemáticos para describir la durotaxis, entre ellos:
Medios relacionados con Durotaxis en Wikimedia Commons