La matrice extracellulare (MEC) o ECM (Extracellular matrix), rappresenta la più complessa unità di organizzazione strutturale dei tessuti degli organismi viventi. I tessuti, infatti, non sono costituiti solo da cellule: una parte rilevante del loro volume è formata dallo spazio extracellulare, occupato da un'intricata rete di macromolecole, la cui organizzazione tridimensionale rappresenta appunto l'ECM.
L'analisi biochimica dell'ECM rivela che essa è composta da una pletora di proteine e polisaccaridi, che si aggregano in un reticolo organizzato in maniera compatta e connesso alla superficie delle cellule che l'hanno prodotto e di quelle circostanti. Se fino a qualche tempo fa si pensava che l'ECM servisse principalmente da impalcatura relativamente inerte in grado di stabilizzare la struttura fisica dei tessuti, è ormai ampiamente dimostrato che l'ECM rappresenta il substrato su cui tutte le cellule dei tessuti possono aderire, migrare, proliferare e differenziare, e che ne influenza inoltre la sopravvivenza, la forma e la funzione.
Sebbene l'ECM sia presente strutturalmente e funzionalmente in tutte le componenti tessutali che costituiscono un organo, quali epiteli, vasi, muscoli, nervi e connettivo, è proprio in quest'ultimo, dove è anche definita 'sostanza fondamentale', che essa è più abbondante delle cellule, tanto da determinare le proprietà dell'organo stesso. L'ECM non solo si presenta come sostanza extracellulare, ma è anche organizzata in strutture specializzate come le lamine basali (LB). Esse si trovano alla base di tutti gli epiteli e gli endoteli e circondano anche singole cellule muscolari, gli adipociti e le cellule di Schwann, che avvolgono gli assoni neuronali formando la mielina. Le LB giocano anche un ruolo importante nella rigenerazione dei tessuti dopo un danno.
Componenti Principali dell'ECM
L'ECM (Extracellular matrix) è composta da due principali classi di macromolecole: catene polisaccaridiche appartenenti alla classe dei glicosamminoglicani (GAG) e proteine fibrose. Le prime si trovano solitamente legate alle proteine per formare i proteoglicani, che possono essere ricchi di gruppi solfato (il condroitinsolfato, il dermatansolfato, l'eparansolfato e il cheratansolfato) o privi (l'acido ialuronico). Le seconde comprendono due gruppi: uno con funzione principalmente strutturale (i collageni e l'elastina), e uno con funzioni principalmente adesive (la fibronectina, le laminine, le entactine o nidogeni e la vitronectina). Tutte queste macromolecole sono caratterizzate da grande varietà di forme e di dimensioni.
Le molecole dei glicosamminoglicani e dei proteoglicani formano, nei tessuti connettivi, una sostanza 'fondamentale' gelatinosa e fortemente idratata, in cui sono immerse le proteine fibrose; questo gel di polisaccaridi consente la diffusione di sostanze nutritive, metaboliti e ormoni tra il sangue e le cellule dei tessuti e resiste alle forze compressive esercitate sull'ECM. Le fibre dei collageni rinforzano l'ECM, la organizzano e ne assicurano la resistenza alla trazione, mentre le fibre dell'elastina ne determinano l'elasticità. Alcuni collageni, interagendo con le laminine, le entactine o nidogeni e i proteoglicani perlecano e agrina, costituiscono le impalcature delle lamine basali, o LB.
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Le proteine d'adesione agevolano inoltre la connessione delle cellule tessutali all'ECM stessa e ne influenzano la polarizzazione: la fibronectina, infatti, favorisce il congiungimento dei fibroblasti e di altre cellule con la matrice dei tessuti connettivi, mentre le laminine favoriscono quello delle cellule epiteliali con le LB.
Oltre ai GAG e alle proteine fibrose strutturali e adesive sopra descritte, nell'ECM sono presenti anche altre proteine, definite 'proteine matricellulari'. Esse costituiscono una nuova classe di proteine di secrezione che non hanno funzioni strutturali, ma rivestono il ruolo di adattatori molecolari in quanto interagiscono con le proteine fibrose e adesive dell'ECM, con recettori cellulari o con altre molecole come fattori di crescita, citochine e proteasi. Sebbene diverse tra loro per funzione, le proteine matricellulari hanno in comune la capacità di modulare le interazioni cellula-matrice.
Interazioni Cellula-Matrice e le Integrine
Gran parte delle macromolecole dell'ECM può stabilire interazioni altamente funzionali con le cellule di un tessuto grazie ai recettori che queste esprimono. Tra questi, i più importanti sono le integrine, in quanto rappresentano la via fondamentale con cui le cellule si legano all'ECM e rispondono ai suoi stimoli. Le integrine sono proteine eterodimeriche transmembranarie costituite da due subunità associate, indicate con le lettere greche α e β, che presentano entrambe un'estesa porzione extracellulare, un dominio transmembrana e una porzione intracitoplasmatica.
Al momento sono state descritte più di 10 differenti catene β (β1, β2, β3, β4, ecc.) e più di 20 diverse subunità α (α1, α2, α3, α4, α5, α6, α7, ecc., con l'eccezione di due, definite αv e αE). Mentre le catene β hanno la possibilità di unirsi a numerose catene α, queste ultime si associano generalmente a una sola subunità β, a differenza della subunità αv che ha la capacità di legare diverse catene β come le β1, le β3, le α5, le α6, e le α8. Le integrine β1, β3, β4 e αv sono 'classicamente' quelle in grado di riconoscere con le loro porzioni extracellulari le proteine dell'ECM.
Nell'ambito della famiglia delle integrine β1, le integrine α1β1 e α2β1 sono entrambi recettori delle laminine e dei collageni, mentre l'α3β1 lega, oltre a questi, anche la fibronectina. L'α5β1 lega esclusivamente la fibronectina, mentre l'α6β1 e l'α7β1 sono i maggiori recettori delle laminine. A differenza di tutte queste integrine, l'α4β1, oltre a legare la fibronectina, è in grado di mediare anche interazioni cellula-cellula avendo la capacità di legare il VCAM-1 (molecola-1 di adesione cellulare vascolare), presente sulle cellule endoteliali attivate da citochine. Di tutte le integrine β3, l'αvβ3 è un recettore in grado di legare la vitronectina, la fibronectina, le trombospondine e l'osteopontina. L'integrina α6β4 è il maggiore recettore epiteliale delle laminine.
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Le integrine assicurano anche le comunicazioni tra l'ECM e l'interno delle cellule, in quanto le porzioni intracitoplasmatiche delle loro subunità α e β interagiscono con proteine del citoscheletro e intracellulari. Le connessioni più rilevanti riguardano le subunità β. È stato dimostrato che la β1 lega la talina, la vinculina, la tensina e l'α-actinina, la β2 l'α-actinina, la paxillina e la filamina, la β3 l'α-actinina e la paxillina e la β4 proteine intracellulari, come l'HD1, la proteina 1 degli emidesmosomi (HD) nota anche come 'plectina', e il BP230, l'antigene del peso molecolare di 230 kDa del pemfigoide bolloso (BP). Tramite queste interazioni, le subunità β sono in connessione con lo scheletro di actina e di cheratina del citoplasma delle cellule.
Le integrine, quando legano i componenti dell'ECM, sono in grado inoltre di trasmettere segnali biochimici all'interno della cellula che le esprime. Recentemente è stato identificato un gran numero di mediatori dell'attivazione cellulare indotta dalle integrine: chinasi della famiglia Src (oncogene trasformante del virus del sarcoma di Rous) e della famiglia delle adesioni focali, il cui prototipo è FAK (chinasi delle adesioni focali); serino-treonino-chinasi, come la PKC (proteina-chinasi di tipo C) e le MAPK (proteine-chinasi attivate dai mitogeni); molecole adattatrici; proteine che legano il GTP (guanosina trisfosfato), tra cui quelle appartenenti alla famiglia Ras (oncogene trasformante associato al sarcoma di Ratto); la PLCγ (fosfolipasi Cγ) e la PI3-K (fosfatidilinositolo-3-chinasi); fattori trascrizionali; le cicline A, D ed E e le loro chinasi Cdk (chinasi dipendenti dalle cicline); molecole anti- e proapoptotiche.
La loro attivazione regola funzioni cellulari differenti, quali l'adesione, la migrazione, la proliferazione, la differenziazione, l'apoptosi e l'espressione genica. Le integrine rappresentano pertanto i più importanti adattatori molecolari attraverso i quali l'ECM può modulare le funzioni cellulari. Molteplici sono le evidenze che dimostrano questo e paradigmatici sono gli effetti delle proteine delle ECM sui cheratinociti. Infatti è stato dimostrato che la proliferazione e la differenziazione dei cheratinociti sono controllate dalle laminine e dalla fibronectina presenti nelle LB dell'epidermide: mentre le laminine, interagendo con l'integrina α6β4, inducono l'attivazione della via di segnalazione di Ras/MAPK e controllano la crescita e la proliferazione dei cheratinociti, la fibronectina, mediante l'integrina α5β1, attivando vie di segnalazione complesse, ne blocca la differenziazione.
Il Ruolo dei Glicosaminoglicani (GAG)
I glicosamminoglicani sono catene di polisaccaridi non ramificate composte da unità di disaccaridi ripetute. Sono dette GAG perché uno dei due residui di zucchero nel disaccaride ripetuto è sempre un amminozucchero (N-acetilglucosammina o N-acetilgalattosammina); il secondo zucchero è di solito un acido uronico (glucuronico o iduronico). In entrambi i residui glicidici sono presenti gruppi solforici o carbossilici che conferiscono ai GAG un'elevata carica negativa. In base ai residui glicidici, al tipo di legame tra i residui e al numero e alla posizione dei gruppi solforici, si distinguono quattro gruppi principali di GAG: (a) l'acido ialuronico; (b) il condroitinsolfato e il dermatansolfato; (c) l'eparansolfato e l'eparina; (d) il cheratansolfato.
I GAG tendono ad assumere conformazioni distese, che occupano un volume enorme rispetto alla loro massa, e formano gel anche a concentrazioni molto basse, in quanto a causa dell'elevata densità delle loro cariche negative attraggono una nube di cationi, quali il Na+, che sono osmoticamente attivi, provocando l'afflusso di grandi quantità d'acqua nell'ECM. Infatti, sebbene la quantità di GAG nel tessuto connettivo sia meno del 10% rispetto a quella delle proteine fibrose, la loro capacità di formare gel porosi e idratati fa sì che essi occupino gran parte dell'ECM dei tessuti connettivi, vi permettano la diffusione di molecole idrosolubili e la migrazione cellulare e ne determinino la funzione di supporto meccanico ai vari organi, nonché la resistenza alle forze di compressione.
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Lo ialuronano (altrimenti detto 'acido ialuronico' o 'ialuronato') è la molecola più semplice di GAG. Per la sua semplicità strutturale, si ritiene che l'acido ialuronico costituisca la prima forma evolutiva di GAG, ma non lo si può considerare rappresentativo della maggioranza dei GAG. Tutti gli altri, infatti, contengono zuccheri solfatati, tendono a comprendere un certo numero di unità disaccaridiche differenti e ordinate in sequenze più complesse, possiedono catene molto più corte, e, unendosi alle proteine mediante legami covalenti, formano i proteoglicani. Per di più, mentre gli altri GAG sono sintetizzati all'interno della cellula e rilasciati per esocitosi, l'acido ialuronico viene direttamente liberato dalla superficie cellulare per mezzo dell'azione di un complesso enzimatico localizzato nella membrana plasmatica. Si ritiene che l'acido ialuronico giochi un ruolo fondamentale nella resistenza dei tessuti e delle articolazioni a forze compressive.
Proteoglicani
Fatta eccezione per l'acido ialuronico, tutti gli altri GAG sono legati a proteine a formare i proteoglicani: i più comuni sono l'eparansolfato, il condroitinsolfato, il dermatansolfato e il cheratansolfato. Come nella maggior parte delle glicoproteine, la catena proteica centrale di un proteoglicano viene sintetizzata all'interno della cellula sui ribosomi e traslocata nel lume del reticolo endoplasmatico. Le catene polisaccaridiche vengono successivamente assemblate alla proteina centrale nell'apparato di Golgi, dove molti dei loro residui glicidici sono modificati covalentemente mediante una serie ordinata di reazioni di epimerizzazione e solfatazione.
I proteoglicani sono facilmente distinguibili dalle altre glicoproteine in base alla natura, alla quantità e alla disposizione delle loro catene glicidiche laterali: per definizione, almeno una delle catene glicidiche laterali di un proteoglicano deve essere un GAG. Infatti, l'aggrecano, che è un cheratansolfato-condroitinsolfato proteoglicano ed è il maggior componente dell'ECM della cartilagine, possiede più di 100 catene di GAG, e la decorina, che è un dermatansolfato proteoglicano ed è secreta dai fibroblasti, ha una singola catena di GAG.
Data la diversa e complessa struttura dei proteoglicani, sarebbe sorprendente che la loro funzione nell'ECM fosse limitata a fornire uno spazio idratato intorno alle cellule. Le catene di GAG dei proteoglicani, infatti, possono formare gel caratterizzati da pori di varie dimensioni e da varie densità di cariche elettriche, e quindi funzionare come setacci selettivi che regolano il traffico delle molecole e delle cellule. Si pensa che i proteoglicani giochino inoltre un ruolo essenziale nella trasmissione di segnali chimici tra le cellule. Lo dimostra il fatto che l'FGF (fattore di crescita dei fibroblasti), che stimola una varietà di cellule a proliferare, si lega alle catene dell'eparansolfato e il TGF-β (fattore di crescita trasformante-β), una citochina che agisce ubiquitariamente, si lega alla decorina.
Collagene e Fibronectina
La matrice extracellulare (ECM) è la sostanza in cui si trovano immerse le cellule dei tessuti. Viene prodotta da cellule specializzate (i fibroblasti) e ha la funzione primaria di fornire supporto strutturale e protezione. I componenti predominanti della matrice extracellulare sono grandi proteine strutturali insolubili, come il collagene e l’elastina.
Il componente principale della matrice extracellulare è il collagene. Nel corpo umano, esistono diversi tipi di collagene. Il collagene di tipo I è la forma dominante e si trova ampiamente in quasi tutti i tessuti, in particolare nei tendini e nella pelle. Le proprietà di ogni tessuto dipendono dal tipo di collagene e dalle altre fibre e componenti della sostanza fondamentale che interagiscono con esso. Le fibre di collagene non restano disposte a caso, ma in ogni tessuto sono altamente organizzate per assolvere a funzioni specifiche.
Esistono quindi delle proteine di ancoraggio, come fibronectina, laminina e tenascina, che servono da "adesivo delle cellule" all’interno della matrice, consentendogli di attaccarsi alla matrice. La fibronectina fa da ponte tra collagene e cellule.
Le laminine risiedono nella membrana basale ed espresse da vari tipi di tessuto, comprese sia le cellule muscolari che quelle epiteliali, e collegate all’attività meccanica.
Metalloproteinasi della Matrice (MMPs)
Le metalloproteinasi della matrice (MMPs), chiamate anche matrixine, sono una famiglia di enzimi coinvolti nella degradazione e nel turnover della matrice extracellulare. Similmente ai radicali liberi, le metalloproteinasi della matrice non sono sempre dannose. Hanno infatti un ruolo importante in molti processi fisiologici, come lo sviluppo dell’embrione, la morfogenesi, l’angiogenesi, la guarigione delle ferite e il rimodellamento tissutale.
Proteoglicani e Tessuti
Così come il collagene offre resistenza alla trazione, i proteoglicani, servono a riempire gli spazi e ad ammortizzare gli urti. I tessuti di matrice più compatta, come le ossa e i tendini, contengono proporzionalmente più collagene e meno proteoglicani. I tessuti dove abbondano sia il collagene che i proteoglicani offrono grande resistenza alla compressione e più resistenza alla tensione. È il caso della cartilagine come quella del ginocchio. Nel glomerulo renale, il proteoglicano perlecano ha un ruolo nella filtrazione glomerulare.
Si tratta di componenti che permettono il legame tra proteine di adesione della membrana (integrine) e specifiche fibre della matrice (collagene). Questo si osserva nella maggior parte dei tessuti invecchiati, in particolare nella pelle.
| Componente | Funzione Principale | Esempi |
|---|---|---|
| Collagene | Resistenza strutturale e alla trazione | Collagene di tipo I (tendini, pelle) |
| Elastina | Elasticità dei tessuti | Presente in tendini e vasi sanguigni |
| Proteoglicani | Riempimento degli spazi, ammortizzazione | Aggrecano (cartilagine), Perlecano (glomerulo renale) |
| Glicosaminoglicani (GAG) | Idratazione, diffusione di molecole | Acido Ialuronico, Condroitinsolfato |
| Proteine di Adesione | Ancoraggio delle cellule alla matrice | Fibronectina, Laminina, Tenascina |
| Metalloproteinasi (MMPs) | Degradazione e rimodellamento della matrice | Matrixine |
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