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Morfolia – Vol. 7 - No. 1 – Año 2015
La matriz extracelular; un ecosistema influyente en la forma y comportamiento de las
ARTÍCULO
La matriz extracelular: un ecosistema influyente en la forma y
comportamiento de las células.
Jhan Sebastian Saavedra Torres^1 , Luisa Fernanda Zúñiga Cerón^2 , Jairo Alfonso Vásquez-López, MD, MSc.^3 , Carlos Alberto Navia Amézquita, MV.^4 , Lyda Patricia Mosquera Sánchez, Licen, Biol, Esp.^5 , Sofía Isabel Freyre Bernal, Bioqím, MSc.^6 1 Estudiante Programa de Medicina, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca, correspondencia: [email protected]; 2 Estudiante Programa de Medicina, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca, correspondencia: [email protected]; 3 Profesor Titular, Departamento de Morfología, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca, correspondencia: [email protected]; 4 Profesor Asistente, Departamento de Ciencias Fisiológicas, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca, correspondencia: [email protected]; 5 Administrativo, Laboratorio de Microscopia Electrónica, Universidad del Cauca. [email protected]; 6 Docente, Departamento de Ciencias Fisiológicas, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca. [email protected]
LA MATRIZ EXTRACELULAR: UN ECOSISTEMA INFLUYENTE EN LA FORMA Y
COMPORTAMIENTO DE LAS CÉLULAS
RESUMEN
Actualmente, la matriz extracelular (MEC) se considera un componente que cumple diversas funciones, como la supervivencia celular, desarrollo, interacciones intracelulares e inmunológicas, cambiándose la concepción en la que sólo se consideraba como parte del tejido conectivo. La matriz extracelular suele proporcionar sostén mecánico a los tejidos. Diferentes combinaciones de componentes de la matriz extracelular la constituyen en el material ideal para propiedades específicas: fuerza en un tendón, diente o huesos; amortiguación en el cartílago y adhesión en la mayoría de los tejidos. Además, la composición de la matriz que puede variar según el sitio anatómico y el estado fisiológico de un tejido, le permite a la célula saber dónde está y que debe hacer.
Tanto la matriz extracelular como las moléculas de adhesión, son consideradas componentes fundamentales para mantener la estabilidad celular, del tejido, órgano y sistema; además, participan en procesos vitales como: migración, multiplicación, preservación, procesos bioquímicos y de señalización celular. Algunas proteínas intracelulares como: selectinas, súper familia de las inmunoglobulinas, cadherinas e integrinas, se sobreexpresan por la ausencia de proteínas de adhesión, lo cual genera efectos como la proliferación desmedida, la invasión y las futuras metástasis. En cuanto a las metaloproteasas de matriz, tienen una participación compleja en la progresión del cáncer; puesto que participan en la degradación de la matriz extracelular permitiendo la migración de las células endoteliales.
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El objetivo de esta revisión temática fue recopilar y comprender la importancia de los procesos físico- químicos de la célula- matriz. Los resultados acerca de la revisión de tema, se representan en dibujos, mapas conceptuales, fotografías de microscopia electrónica e histología, demostrando que la matriz extracelular es un ecosistema de eje para los tejidos y procesos de salud y enfermedad en el desarrollo celular.
MÉTODOS Se desarrolló un revisión bibliográfica de un total de 52 documentos como artículos, libros y tesis, con un margen de tiempo entre el año 1993 al 2014; obtenidos a partir de la búsqueda bibliográfica de las siguientes bases de datos: Scielo, Pubmed, Redalyc, Wiley, Springer, NEJM, ScienceDirect, Medwave, BVS, Nature Riviews, EBSCO, Naxos, Worldcat.org, Gestión Humana y (Bases de datos que ofrece la Universidad del Cauca). Para la gestión y organización de la información se utilizó el programa Mendeley de libre acceso.
Palabras clave: Matriz extracelular (MEC), tejido conectivo, neoplasias, metaloproteinasas, fibroblastos, macromoléculas,
INTRODUCCIÓN
Al observar los tejidos, las células se encuentran unidas entre sí por uniones celulares; circundado por un espacio entre ellas el cual, está lleno con una matriz extracelular y moléculas de adhesión que forman contactos intercelulares(1). Hoy en día muchos diagnósticos histopatológicos de algunas enfermedades(2) se centran en la interacción presente en el interior de los tejidos: el binomio célula-matriz extracelular.(1) Los primeros estudios realizados sobre la matriz extracelular (MEC), giraron en torno a conocimiento de la estructura y función básica (proteínas y polisacáridos; lámina basal y tejido conectivo laxo)(2) pero hoy en día, los avances logrados en biología celular(3)(4) han permitido el advenimiento de nuevos conceptos y preguntas acerca de la matriz,
permitiendo observar con mayor detalle los procesos bioquímicos y moleculares que suceden en la célula cuando se desatan mecanismos de reparación, inflamación, renovación, comunicación, muerte celular programada, estrés a tejidos y adaptaciones(5). La matriz extracelular (MEC) se define como una red tridimensional que engloba las células. Recordemos que el padre de la patología, Virchow, la definió en sus tiempos como “la unidad anatómofisiológica del organismo y macromoléculas situadas en el espacio intersticial”. Además la matriz es considerada un complejo ecosistema de funciones vitales para la célula y tejidos en los procesos como: multiplicación, preservación, procesos bioquímicos y de señalización; los cuales son procesos indispensables para la supervivencia de los tejidos (6). Para lograr estas funciones, es necesaria la vitalidad tisular, que está estrechamente
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determinar la especificidad tisular y así mismo, se debe asociar de manera específica a todo tipo de enfermedades(9). Resaltando que la cantidad y composición de la matriz varía con los diferentes tejidos y su función (Ver Figuras No. 2 y 3). En el hueso, por ejemplo, la matriz es más abundante que las células que la rodean; en el cerebro la situación es diferente, las células son mucho más abundantes y la matriz es sólo un constituyente menor(1). Los condrocitos son células especializadas que producen y mantienen la matriz extracelular: es por
ello que su importancia radica en la síntesis de MMPs; Ver Figura No.4. En el cartílago hialino los condrocitos se distribuyen solos o en cúmulos llamados grupos isógenos. Cuando los condrocitos están en grupos isógenos significa que son células que acaban de dividirse. Conforme sintetizan matriz, que los va rodeando, los condrocitos producto de la división celular se dispersan. También secretan metaloproteinasas, enzimas que degradan la matriz cartilaginosa para permitir que las células se expandan y se reubiquen dentro del grupo isógeno en crecimiento(15) (16).
Figura No.2. Fotografía digital de un corte de piel en 10x. La epidermis (A) es la capa más externa de la piel. Con un epitelio escamoso estratificado con queratina formado principalmente por células denominadas queratinocitos. Independientemente de su grosor se suele dividir en 4 estratos, que de dentro a fuera son: basal o germinativo, espinoso, granuloso y córneo. La dermis (B) se sitúa debajo de la lámina basal y está formada por tejido conectivo. (Continuación) Existen proyecciones de la dermis hacia la epidermis denominadas papilas dérmicas (flecha), conjuntamente se encuentran abundante cantidad de fibroblastos (flecha).
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Figura No. 3. Fotografía digital de un corte de tráquea en 4x. La mucosa está formada por un epitelio pseudoestraticado ciliado (flecha), que está formado por tres tipos principales de células: ciliadas, mucosas y basales. Bajo el epitelio se sitúa una lámina basal más gruesa que en otros tipos de epitelios. La lámina propia de la mucosa (línea punteada) está formada por tejido conectivo laxo, con una gran cantidad de células, se considera el límite entre la mucosa y la submucosa. La submucosa (SM), al contrario que en otros órganos, es conectivo laxo, con un aspecto similar al de la lámina propia de la mucosa; además se pueden encontrar los vasos sanguíneos y linfáticos principales, así como las porciones secretoras de algunas glándulas mucosas y mixtas. El cartílago (C) es de tipo hialino. La adventicia (A) es la capa más externa de la tráquea.
El citoplasma de los condrocitos varía de aspecto en relación con la actividad de la célula. Los condrocitos que están activos en la producción de matriz exhiben regiones de basofilia citoplasmática, que indican síntesis proteica, así como también regiones claras, que corresponden al aparato de Golgi grande; los condrocitos no sólo secretan el colágeno de la matriz extracelular sino también todos sus
glucosaminoglucanos y sus proteoglucanos(15). Los volúmenes relativos de las células con respecto a la matriz varían enormemente entre los diferentes tejidos y órganos. Cierto tejido conectivo, por ejemplo, es principalmente matriz, mientras que muchos órganos están compuestos de células densamente empaquetadas con relativamente poca matriz (17)(12).
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la inflamación: Durante la lesión, las células inflamatorias residentes interactúan con esta matriz y usan esta estructura para migrar a lo largo del gradiente de las quimiocinas. El colágeno, las fibras elásticas, las proteínas de la membrana basal, las glucoproteínas y los proteoglucanos se hallan entre macromoléculas estructurales de los mediadores de la matriz. Las proteínas de la matriz son macromoléculas que se enlazan a las células de la MEC o que interrumpen las interacciones entre la célula y MEC (5).
ESQUEMA GENERAL Y PROTEÍNAS
DE ADHESIÓN DE LA MATRIZ
EXTRACELULAR
La matriz extracelular está constituida por diversos componentes como (18): el colágeno, proteoglucanos como: decorina, versicano, perlecano, variedad de moléculas de glucoproteínas especializadas (19), fibronectina, laminina, integrinas, hemidesmosomas (20), elastina, entactina, fibrilinas, receptores de membrana, factores de crecimiento, colágeno tipos I, III, IV, VII (5), glucosaminoglucanos y metaloproteinasas(21). Ver Figura No.5.
Figura No.5. Esquema general de la matriz extracelular. 1. Fibras reticulares (Colágeno tipo III), 2. Asa de colágeno tipo VII, 3. Colágeno tipo IV. 4. Colágeno tipo Fibrilar, 5. Proteoglicano,
6. Glicosaminoglicano, 7. Sindecan (Proteoglicano), 8. Laminina con entactina, 9. Integrina, 10. Fibronectina, 11. Fibroblasto, 12. Filamento Intermedio, 13 .Hemidesmosoma con integrina α6β4, 14. Filamentos de Actina, 15. Elastina
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En la MEC se distinguen dos principales clases de macromoléculas extracelulares. Ver Figura No. 6. La primera se compone de cadenas de polisacáridos de la clase glucosaminoglucanos (GAG), los cuales suelen encontrarse ligados a proteínas como proteoglucanos (1). El segundo tipo está constituido por
proteínas fibrosas (colágeno y elastina), y las proteínas adhesivas fibrosas (fibronectina y laminina) que se encuentran en la membrana basal. Los miembros de estas dos clases de macromoléculas extracelulares acuden en una variedad de formas y tamaños (1)(2).
Figura No.6. Componentes de la matriz extracelular.
Los proteoglucanos y las moléculas GAG en el tejido conectivo forman una sustancia altamente hidratada, denominada gel tisular, en el cual están sumergidas las proteínas fibrosas; con función de resistir fuerzas de compresión, las fibras de colágeno fortalecen y ayudan a organizar a la matriz (1). Ver figura No.7. Las uniones adhesivas célula a célula están mediadas por: selectinas, integrinas (superfamilia de las inmunoglobulinas), conexinas y cadherinas que pueden cumplir la función de estabilizar uniones célula a célula (22). Se considera que las proteínas de adhesión de la matriz son los principales sitios de unión para el grupo de las integrinas, estas
constituyen los principales receptores de la superficie celular uniéndolas a su entorno con la matriz (2). Las integrinas, son un grupo de proteínas integrales de tipo heterodiméricas; constituidas por dos subunidades denominadas α y β; las integrinas de tipo α tienen 18 subunidades, y son las encargadas de fijar cationes divalentes (4); cabe señalar que cada subunidad presenta tres dominios: uno extracelular largo, uno transmembranoso y uno intracitoplasmático corto, que interactúa con los componentes del citoesqueleto, tales como la talina, vinculina, α actina, fibrilina, y sirve de mensajero al dar señales de transducción (23).
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de su entorno celular. De modo similar a la unión de los factores de crecimiento, la interacción de la célula con los componentes de la matriz extracelular también puede variar en gran medida su comportamiento (4). Las cadherinas, selectinas e integrinas dependen de los iones extracelulares como son: el calcio que actúa en la súperfamilia de proteínas inmunoglobulinas y el magnesio como es en el caso de las integrinas (1). Las comunicaciones intercelulares son eventos biológicos esenciales en los organismos multicelulares, asociados con el control del crecimiento y la diferenciación celular, la apoptosis, las respuestas adaptativas de células diferenciadas y la sincronización de funciones celulares, todo esto va integrado a la matriz extracelular; las uniones intercelulares, conocidas como uniones gap, estructuralmente constituidas por conexinas, tienen una participación activa en estos procesos (25). Estas estructuras de comunicación intercelular llamadas uniones de los NEXOS (GAP) son activadas por algunas proteínas como la conexina- (24). La familia de las Conexinas (Cx), que entra a formar parte de los conexones, puede cruzar el espacio extracelular entre células contiguas y hace parte del desarrollo de enfermedades cardiovasculares, al igual que las adhesinas; (24) a continuación se darán ejemplos de las enfermedades cardiovasculares que son dadas por las uniones celulares y la interacción de célula- matriz, tales como: insuficiencia cardíaca congestiva, arritmias, hipertensión arterial.(25)(26)
A nivel cardiovascular, la comunicación célula a célula es indispensable, en condiciones normales, para la embriogénesis cardíaca, la transmisión del impulso eléctrico, la sincronización de la actividad contráctil cardíaca, la transmisión de señales reflejas vasculares, entre otras funciones biológicas; en cuanto a las condiciones patológicas, a causa de mutaciones genéticas heredadas o adquiridas, participan en el desarrollo de cardiopatías congénitas, arritmogénesis y remodelación eléctrica cardíaca, aterosclerosis e isquemia miocárdica, hipertensión arterial y remodelación miocárdica, en donde la MEC está completamente comprometida (25). La investigación en el campo de la genética y biología molecular seguramente encontrará recursos para la prevención y el tratamiento de las distintas cardiopatías en las que la comunicación intercelular tiene un papel fisiopatológico (1). Se considera que las moléculas de adhesión celular son receptores de membrana que entran a participar en múltiples funciones del tráfico celular, interacciones célula a célula, célula a matriz extracelular (24).
FIBRAS ESTRUCTURALES DE LA MATRIZ EXTRACELULAR En el espacio extracelular se encuentran tres tipos de fibras: colágeno, elastina y fibras reticulares (1). El colágeno es la proteína más frecuente en el cuerpo (6). Ver figura No. 8. Es una fibra resistente, inerte, de color blanco que sirve como armazón estructural de la piel, ligamentos, tendones y muchas otras estructuras (1). En este momento
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se conocen 27 tipos distintos de colágenos codificados en 41 genes dispersos por al menos 14 cromosomas;
cada colágeno está constituido por tres cadenas que forman un trímero en forma de triple hélice (18).
Figura No. 8. Imagen de microscopía electrónica del fibroblasto en (Dermis): 1- Nucléolo; 2- Núcleo; 3- Matriz Extracelular (Colágeno tipo I). Derechos Reservados de: Depto. de Biología, Universidad del Cauca.
El polipéptido se caracteriza por una secuencia repetida en la cual la glicina se encuentra en la tercera posición (Gly- X- Y, siendo X y Y cualquier otro aminoácido sal, cisteína o triptófano), y
contiene los aminoácidos especializados 4- hidroxiprolina e hidroxilisina; los residuos prolil en la posición Y se hidroxilan de forma característica para generar hidroxiprolina, que sirve para
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Los fibroblastos sintetizan proteoglicanos y glucosaminoglucanos que son los principales generadores de MEC (27). Su función se ve comprometida cuando se es portador de mutaciones congénitas y anormalidades cromosómicas como: poliposis juvenil, mutaciones adquiridas y carcinogénesis (9)(28).
VARIABLES BIOLÓGICAS VINCULADAS A LAS FUNCIONES DE LA MATRIZ:
La funcionalidad de la matriz depende de ciertas variables como: el potencial eléctrico normal de la MEC, que en
homeostasis es de -240mV, el ritmo circadiano que compromete sustancias y sistemas en la regulación de la MEC (cortisol, hormona tiroidea, sistema inmunológico y el sistema nervioso vegetativo) e intervienen con cambios en el biorritmo, haciéndolo dinámico durante el día, ya que en la noche éste se encuentra en fase de reposo, y finalmente, el pH del ecosistema celular; sin embargo, cuando en el medio celular se presenta acidez, lo cual es muy común en los tejidos que cursan con procesos inflamatorios que incrementan el voltaje, se conduce a que la función de filtro de la MEC sea poco eficaz (8). Ver Figura No.10 y 11.
Figura No.10. Ritmo circadiano. Variable que puede cambiar funciones de la matriz.
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Figura No.11. Interacción Fisiológica Célula – Matriz.
LA MATRIZ EXTRACELULAR Y LAS
METALOPROTEINASAS:
Está demostrado que las Metaloproteasas de matriz (MMPs) tienen una participación compleja en la progresión de cáncer (29), además la degradación de la matriz extracelular permiten la migración de las células endoteliales, con la posterior liberación de factores angiogénicos que resultan en la infiltración de nuevos vasos sanguíneos (30). Ver Figura No.12. Actualmente se conocen seis subfamilias de MMPs: las colagenasas , que degradan el colágeno del tejido conectivo; las gelatinasas , que actúan sobre los colágenos tipo IV, V, VII y X; la elastina y los colágenos
desnaturalizados, las estromelisinas, la matrilisina, que degradan el núcleo de proteoglicanos de las proteínas; la laminina, la fibronectina, la elastina y la gelatina; las MMPs de membrana , que degradan la fibronectina, la laminina y otras MMPs; y finalmente, la metaloelastasa macrofágica, que actúa sobre la elastina insoluble, el colágeno IV, la fibronectina, la laminina y los proteoglicanos (31). Hasta el momento se han identificado 28 miembros de la familia de las MMPs (29). Estas enzimas se caracterizan porque poseen mayor actividad a un pH neutro, son secretadas en formas de zimógenos y pueden ser inhibidas por inhibidores tisulares (TIMPs) y proteínas plasmáticas (32).
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Figura No.13. Esquema; cambios celulares que promueven la creación del cáncer.
En el cáncer, la matriz es la fuente de procesos y estímulos positivos que permitirán a la célula evadir adhesiones y generar metástasis. Ver Figura No.14. La célula cancerosa no se puede definir solamente desde el punto de vista de la proliferación celular (39), hay que resaltar la existencia de otras variables que permiten la expresión del tejido canceroso como metaloproteinasas (MMP) de tipo gelatinasas A y B,
estromelisinas-1 y 3 y colagenasas-1 y 3 que parecen tener mayor actividad en la progresión tumoral. No obstante las MT1-MMP, MMP-2, MMP13 y MMP- 8 son las metaloproteinasas más influyentes, al permitir la metástasis (40), degradando la matriz extracelular (41)(34); sin dejar de un lado las características del micro ambiente tumoral propio de cada individuo (9) (42). Ver Figura No.15.
Figura No. 14. Interacciones de la matriz extracelular en condiciones de equilibrio y desequilibrio.
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Figura No.15. Características de las metaloproteinasas.
La membrana basal es el primer obstáculo que las células neoplásicas deben atravesar; los componentes principales de la membrana basal son el colágeno tipo IV, laminina y en menor proporción otras moléculas como perlecan, nidogen, entactin, colágeno tipo VII y otras. Por lo general la membrana basal pierde sus propiedades funcionales en muchos carcinomas invasores.(43) El equilibrio de la matriz extracelular depende de síntesis, formación,
desgaste y remodelación (44) (45). Además de las metaloproteinasas que junto con los inhibidores endógenos de estas metaloproteinasas llamados TIMPs generan un balance para la homeostasis. La biosíntesis de las TIMPs se produce en los fibroblastos y en la placenta (6). Este fenómeno es dependiente de moléculas como factores de crecimiento, factores reguladores de catabolismo y regeneración (9) (46). Ver Figura No.16.
Figura No.16. Función y equilibrio dinámico de la matriz extracelular.
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evidencias experimentales que describen que el efecto hormonal cancerígeno sobre un epitelio ocurre a
través de la alteración de la interacción estromal-epitelial (9).
Figura No.17. Comparación de los procesos fisiológicos y patológicos en la matriz extracelular
Sin embargo, lo más extraordinario es que la condición opuesta también es verdad: ciertos tumores pueden regresar restaurando una MEC que permita una correcta interacción entre el epitelio y el estroma, es decir, el descubrimiento que muchos comportamientos celulares son controlados por interacciones puramente físicas permiten el inicio de una nueva era que nos lleve a integrar los conocimientos actuales sobre la MEC y su función (9).
CONCLUSIONES
La relación entre la matriz extracelular y la apoptosis, constituye un importante proceso para el mantenimiento del equilibrio a nivel celular e intercelular. Los nuevos estudios de la matriz extracelular han permitido entender la biología de la metástasis en los diversos tipos de neoplasias, lo cual ha permitido en la investigación para el desarrollo de nuevos fármacos antineoplásicos. La MEC constituye el sistema de “seguridad” para el
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mantenimiento de la homeostasis y de esta manera se asegura un
estado de bienestar biológico corporal.
PERSPECTIVAS DE INVESTIGACIÓN
Realizar futuras investigaciones sobre regeneración de tejidos que demuestren el impacto de la MEC en el mantenimiento y formación de nuevos tejidos orgánicos.
AGRADECIMENTOS
Los autores expresan su agradecimiento a Elena Rodríguez, bibliotecóloga de la biblioteca de la facultad de ciencias de la salud, también a María Cristina Ocampo Martínez, por permitirnos ciertas traducciones de artículos referenciados, y a los departamentos de Morfología y Fisiología de la Facultad de Ciencias de la Salud de la Universidad del Cauca, por permitir los espacios necesarios para la realización del presente trabajo.
Agradecemos al departamento de Patología del Hospital Universitario San José, en especial a Graciela Muñoz Ortega por su apoyo con respecto a la construcción de placas de histología humana.
Los autores expresan su agradecimiento al Departamento de Biología de la Universidad de Vigo (España), por permitirnos tener las fotos de microscopia electrónica, microscopia de barrido e histología para la realización del presente trabajo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- Carol Mattson Porth. SC-G. Porth: Fisiopatología. Noverna ed. Wisconsin.: The Point.; 2014.
- Cooper, G. Housman R. LA CELULA. Quinta. “Madrid”: MARBAN; 2010.
- Jimenez., Luis Felipe. HM. Biología Celular y Molecular. Primera. Mexico: Pearson: Educación de Mexico.; 2003.
- Werner Müller-Esterl. Bioquimica: Fundamentos para medicina y ciencias de la vida. Primera. Barcelona, España: Reverté; 2008.
- Emanuel Rubin., Fred Gorstein., Raphael Rubin., Roland Schwarting. DS. Patología Estructural. Fundamentos Clínico patólogicos en medicina. Cuarta Edi. Aravaca (Madrid)): Elsavier Saunders; 2006.
