Proteinerna som utgör den extracellulära matrisen som omger en cell existerar som fibrer. Hur avståndet mellan dessa matrisproteinfibrer påverkar klustringen av cellytereceptorernas integriner och hur detta påverkar bildandet av integrinmedierade cellmatrisadhesions och efterföljande cellspridning var fokus i en nyligen genomförd studie ledd av Dr. Rishita Changede, Senior forskare vid Mechanobiology Institute, National University of Singapore. Studien publicerades i Naturmaterial .

Avstånd mellan matrisfibrer påverkar integrinkluster och adhesionsbildning

Föreställ dig att korsa en bäck genom att använda stenar som är strödda över den som fotfästen. Huruvida du kan ta dig igenom beror inte bara på hur många stenar det finns, men främst också på hur dessa stenar är placerade längs bäcken. Om ditt nästa fotfäste ens är lite för långt borta, att korsa den bäcken kan bli svårt, eller ibland, omöjlig.

Detsamma gäller celler i vår kropp som de försöker fästa på ytor, kallas matrisen, under dem. Vissa "receptorer" på det yttersta lagret av cellen, främst medlemmar av integrinfamiljen av proteiner, fysiskt interagera med partner-ligandproteiner som finns i matrisen, såsom kollagen och fibronektin. Cellen använder i princip dessa anslutningar som fotfästen för att sprida och flytta över matrisen eller för att känna av matrisegenskaper. I likhet med klipporna i vår strömanalogi, de "cellulära fotfästena" måste vara optimalt placerade i matrisen för att främja cellvidhäftning och normal cellulär funktion.

Skapa olika ligandgeometrier

Inom vävnader, de flesta ligandproteiner är ordnade som fibrer i matrisen, i olika konfigurationer och densiteter. Betydelsen av ligandgeometri - det specifika arrangemanget av ligandfibrer - för att främja bildandet och efterföljande stabilisering av cell-matrisförbindelser var föremål för undersökning av en nyligen genomförd studie utförd i Sheetz Lab vid Mechanobiology Institute (MBI), National University of Singapore.

Leds av MBI Senior Research Fellow Dr. Rishita Changede och chefsforskare Prof Michael Sheetz, och involverar forskare från Columbia University, U.S., studien använde en teknik som kallas elektronstrålelitografi för att rita anpassade, mönster i nanostorlek (gjorda av titan eller guld-palladiumlinjer) på konstgjorda ytor för att efterlikna ligandgeometrier som finns i levande vävnader.

Forskarna skapade antingen endimensionella (1-D) eller tvådimensionella (2-D) nanomönster. 1D-mönster inkluderade enkla linjer, medan 2D-mönster inkluderade parade linjer (med 50 eller 80 nm mellanrum), korsar linjer (korsar i 25 graders vinkel), och hexagonala prickmönster (punkter åtskilda 40 nm). Efter mönstring, nanolinjerna belades med ligandproteiner och forskargruppen observerade och mätte mikroskopiskt hur bindvävsceller som kallas fibroblaster växte på olika geometrier.

Integrin engagemang på 1D- och 2D-mönster

Tidigare arbete av Dr. Changede visade att så få som fyra integrinmolekyler samlas för att bilda kluster som vanligtvis är 110 nm stora. Dessa begynnande integrinkluster fungerar som grundläggande moduler som initierar cellengagemang med ligander för att bilda större cell-matrisförbindelser. Därför, forskarna teoretiserade att endast de nanomönster där liganderna är åtskilda med mindre än 110 nm kommer att tillåta stabilt integrinengagemang och efterföljande cellspridning.

Ligandgeometri som den kritiska faktorn för cellspridning

I överensstämmelse med detta, forskarna noterade skillnader i omfattningen av integrinklusterengagemang och cellspridning, baserat på ligandgeometrin på vart och ett av dessa nanomönster:1D enstaka linjer som var placerade 250 nm eller 500 nm från varandra stödde inte integrinklusteringrepp och cellspridning; dock, när linjerna var åtskilda 160 nm från varandra (något mer än integrinklusterstorleken), några kopplingar bildades och celler kunde spridas i viss utsträckning. Å andra sidan, 2D-mönster, inklusive parade och korsande linjer och sexkantiga punkter, stödde betydande integrinklusterengagemang och cellspridning.

I synnerhet, ett sådant högre integrinklusterengagemang och cellspridning inträffade på 2-D-mönster trots att liganddensiteten (antal ligander i ett givet område) ibland var högre på 1D enstaka linjer än på 2-D-mönster såsom hexagonala prickar. Denna observation bekräftade en mer betydande roll för ligandgeometri över liganddensitet för att kontrollera bildandet av cell-matrisförbindelser och främja cellulära funktioner såsom dess spridning och rörelse längs vävnader.

Cell-matrisförbindelser är kända för att vara de primära platserna för mekanotransduktion (reläet av mekaniska signaler) mellan en cell och dess omgivning; de utövar dragkrafter på den underliggande matrisen, använda dem för att testa matrisens mekaniska egenskaper. Denna information förmedlas sedan internt genom proteinkomplex som har rekryterats vid anslutningarna, för att åstadkomma olika förändringar inom en cell.

I den fibrösa matrismiljön som omger celler i en vävnad, hur dessa ligandfibrer är åtskilda i förhållande till varandra är av yttersta vikt för att bestämma hur mekanotransduktionshändelser medieras. När fibrerna är för nära eller för långt, integrinerna är oförmögna att ingripa stabilt och initiera bildandet av cell-matriskopplingar. Som ett resultat, mekanotransduktionsvägar går snett, leder till oregelbundna cellulära svar som kan påverka vävnadens övergripande integritet. Genom att uppmärksamma vikten av ligandgeometri i bildandet av integrinberoende anslutningar, den här studien lägger till ytterligare detaljer till de molekylära mekanismerna som styr kraftförmedling genom cell-matriskopplingar, och dess inverkan på cellspridning och rörelse.