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Comment visualiser l'ECM ?

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Plus précisément, j'aimerais examiner les changements dans la production d'HA (acide hyaluronique). Le plus souvent, vous ne voyez que des personnes colorer la surface cellulaire ou retirer des cellules de la culture pour la fixation, puis l'imagerie. Est-ce que quelqu'un sait comment analyser l'ECM (matrice extracellulaire) et les protéoglycanes qui entourent une cellule si vous cherchez à voir si une condition peut changer la façon dont une cellule remodèle son ECM ? Est-ce même possible avec certaines balises fluorescentes ?


Différents composants de l'ECM peuvent être colorés différemment, mais puisque vous avez posé des questions sur l'acide hyaluronique (HA), je limiterai ma réponse à sa coloration.

Voir ce document. Ils utilisent la protéine de liaison hyalurane (HABP) comme sonde spécifique pour l'AH.

Étant donné que l'HA a une composition très simple et conservée et qu'il est exprimé de manière ubiquitaire chez tous les animaux qui ont développé une réponse immunitaire, l'HA n'est pas immunogène. Par conséquent, il n'y a pas d'anticorps qui reconnaissent spécifiquement l'HA, et les méthodes immunohistochimiques traditionnelles de détection de l'HA ne sont pas possibles. Heureusement, une protéine très spécifique et étroitement liée, la protéine de liaison hyaluronane (HABP), qui est composée du domaine de liaison HA avec le module de liaison de l'aggrecan, a été isolée (Hascall et Heinegård 1974; Tengblad 1979) et adaptée comme sonde HA (Ripellino et al. 1985). L'HABP est maintenant largement utilisé pour la détection spécifique de l'HA.

Le HABP marqué à la biotine peut être utilisé pour les procédures de visualisation basées sur l'IHC.


Le livre "Basic Histology" de Junqueira et Carneiro reconnaît le problème de la fixation histologique de la substance fondamentale. Ils recommandent la lyophilisation dans l'azote liquide puis l'élimination de l'eau par un vide poussé à une température de -30 celcius, ce qui provoquera une sublimation (glace-->vapeur). Fixer ensuite l'échantillon avec un solvant non polaire. Ensuite, vous pouvez utiliser des teintures comme la technique PAS.

Je n'ai jamais fait ça, je copie juste du livre. Si vous avez déjà de l'azote liquide, du vide poussé et du PAS dans votre laboratoire, cela pourrait être moins cher que HABP.


Raideur de la matrice extracellulaire : un régulateur des prostaglandines dans la fibrose pulmonaire ?

Le dépôt aberrant de protéines de la matrice extracellulaire (MEC) est une caractéristique de la fibrose pulmonaire idiopathique (FPI) (1). Les fibroblastes pulmonaires activés, caractérisés soit par l'-SMA (α-actine du muscle lisse) soit par le PDGFRα (récepteur du facteur de croissance dérivé des plaquettes α), sont la principale source de production d'ECM (2). Le dépôt et la réticulation des protéines ECM entraînent un raidissement de l'ECM. En effet, les propriétés biomécaniques du poumon changent considérablement dans la FPI, et le module de Young, en tant que mesure de la rigidité, va de zones avec des valeurs normales comprises entre 0,5 et 10 kPa (ressemblant aux valeurs normales du tissu pulmonaire) à des extrêmes entre 50 et 100 kPa dans des conditions très élevées. zones fibreuses (3, 4).

Jusqu'à récemment, on pensait que le raidissement de la matrice était le résultat des processus de remodelage fibrotique en phase terminale. Cependant, de plus en plus de preuves suggèrent que des changements dans le raidissement de la MEC peuvent contribuer activement, se propager et même initier la maladie (5). En effet, une rigidité accrue de la matrice suffit à elle seule pour induire l'activation des fibroblastes et la sécrétion de collagène (6), et, à son tour, la matrice molle peut inverser l'activation des fibroblastes (7). Par conséquent, le ciblage de l'ECM et de sa biomécanique est devenu un nouveau concept prometteur pour les futures thérapies IPF. Pendant longtemps, aucune option de traitement n'était disponible pour la FPI et de nombreux candidats potentiels ont échoué aux essais cliniques. Ce n'est que récemment que deux médicaments antifibrotiques, le nintédanib et la pirfénidone, ont réussi à ralentir la progression de la maladie (8). Cependant, des approches supplémentaires de remodelage inverse et antifibrotiques sont encore nécessaires non seulement pour ralentir mais aussi pour arrêter la progression de la maladie. Ainsi, le ciblage du raidissement de la matrice est très prometteur.

Cette question de la Journal contient une étude de Berhan et ses collègues (pp. 819-830) montrant comment la rigidité de la matrice interfère avec plusieurs étapes de la prostaglandine (PG) E2 production dans les fibroblastes pulmonaires humains (9). L'étude des prostaglandines dans ce contexte est en effet prometteuse, car de nombreux membres de cette famille présentent une activité antifibrotique, et plusieurs agonistes/antagonistes de récepteurs hautement spécifiques ont été développés avec un potentiel d'utilisation clinique (NCT00296556). Tous les PG sont dérivés du précurseur PGH2 passant par la voie arachidonique et COX (cyclooxygénase). Les enzymes synthétiques terminales convertissent ensuite la PGH2 aux prostaglandines individuelles bioactives, nommément PGI2 (prostacycline), PGF, DPI2, et PGE2. Parmi les autres membres de la famille, PGE2 a une forte action antifibrotique et anti-inflammatoire, qui est principalement médiée par ses EP2 et EP4 (récepteurs prostanoïdes de type E 2 et 4) (10).

Cependant, plusieurs études indiquent que l'action antifibrotique locale physiologique de la PGE2 est limitée dans la fibrose pulmonaire, car la PGE2 les concentrations dans le BAL sont plus faibles chez les patients atteints de FPI (11). Les raisons de la baisse du PGE2 les concentrations ne sont pas encore entièrement comprises et sont probablement multifactorielles. Par conséquent, beaucoup d'efforts ont été consacrés à l'étude des enzymes clés pour la production de PG, COX-1 et COX-2. Ici, les données recueillies sont restées peu concluantes, allant d'une diminution des concentrations d'ARNm et de protéines dans le parenchyme pulmonaire (12) et des fibroblastes pulmonaires IPF isolés (13) à des concentrations accrues dans les foyers fibreux (14), n'expliquant donc pas encore complètement la diminution de la PGE.2 concentrations en IPF. Cela laisse place à une enquête plus approfondie sur les PGE2 production et dégradation. En effet, une expression accrue de la PGE2-l'enzyme dégradante 15-PGDH se trouve dans plusieurs zones du poumon fibreux (15), et une rigidité accrue de la matrice limite davantage la PGE2 production et sécrétion (16). Cependant, jusqu'à présent, l'étude de l'enzyme terminale de la PGE2 production, PTGES (prostaglandine E synthase), a été manquante, jusqu'à ce que Berhan et ses collègues soient les premiers à détecter une diminution des concentrations de PTGES dans les poumons IPF.

Dans une pléthore de in vitro expériences utilisant des fibroblastes pulmonaires humains, ils ont étudié de manière approfondie et approfondie comment tous les acteurs impliqués dans la PGE2 la production répond aux environnements mous et rigides. Ils ont entrepris sophistiqué in vitro des configurations pour imiter des conditions environnementales saines (douces) et malades (rigides) pour les fibroblastes pulmonaires en utilisant du plastique bidimensionnel (2D), une matrice molle (cytosoft et hydrogel) et une culture sphéroïde molle tridimensionnelle (3D), le tout en étudiant la rigidité varie de ∼3 GPa à 0,4 kPa. Pour la première fois, les auteurs ont identifié une diminution des concentrations de l'enzyme terminale de la PGE2 (PTGES) chez les patients atteints de FPI. Ils fournissent un mécanisme moléculaire derrière leur découverte en montrant qu'une matrice rigide réduisait l'expression de PTGES, tandis que des conditions de culture 3D douces induisaient et sauvegardaient son expression et son activité dans les fibroblastes non-IPF et, par une supplémentation supplémentaire en acide arachidonique, dans les fibroblastes IPF. Les auteurs ont confirmé la suppression induite par la rigidité de l'expression de la COX-2 et de la PGE2 sécrétion (16) et clos le cycle par l'investigation complémentaire de PGE2 récepteurs, identifiant une expression plus faible du récepteur antifibrotique EP4 dans les paramètres rigides par rapport aux paramètres mous (Figure 1).

Figure 1. PGE2 (prostaglandine E2) la synthèse des fibroblastes pulmonaires humains dépend des propriétés biomécaniques de sa matrice extracellulaire environnante. Les conditions de matrice molle bidimensionnelle et tridimensionnelle ont augmenté les concentrations de PGE2, qui s'accompagnait d'une expression accrue de cPLA2 (phospholipase cytosolique A2), les isoformes COX (cyclooxygénase) et l'enzyme terminale, PTGES (PGE2 synthase). 3D = EP4 tridimensionnel = récepteur prostanoïde de type E 4.

Bien que les auteurs montrent de manière convaincante que le PGE2 voie de synthèse est sensible aux changements biophysiques de son microenvironnement dans les fibroblastes non-IPF, il reste encore des pièces du puzzle qui sont nécessaires pour une image complète et complète car PGE2 les concentrations n'ont pas été complètement récupérées dans les fibroblastes IPF. De plus, le maintien des fibroblastes pulmonaires sur une matrice 2D molle et rigide sur plusieurs passages a en effet fortement affecté les concentrations d'ARNm et de protéines des membres de la PGE.2 sentier. Dans les expériences sur une période de temps plus courte, cependant, les changements sur les concentrations d'ARNm n'étaient pas toujours récapitulés dans les concentrations de protéines, et souvent les effets les plus importants sur les enzymes impliquées dans la PGE2 synthèse ont été observées dans une culture sphéroïde 3D molle par rapport à des conditions 2D rigides. Cet effet robuste, rapide et profond de la culture 3D douce est une découverte intrigante de Berhan et de ses collègues, car il met en évidence la complexité et la sensibilité des réactions cellulaires dans les voies eicosanoïdes et la demande et la nécessité de configurations expérimentales 3D. Par conséquent, les auteurs auraient pu démêler un point de contrôle réglementaire supplémentaire de la PGE2 synthèse avec un potentiel supplémentaire pour une enquête future. Dans les expériences futures, il faudra répondre à d'importantes questions ouvertes, par exemple si les changements biomécaniques dans les paramètres expérimentaux 3D souples et rigides peuvent toujours affecter le PGE2 sentier. Pour répondre à cela, le tissu pulmonaire décellularisé de patients atteints de FPI et de sujets témoins ou de sections pulmonaires de FPI fibrotiques et non fibrotiques pourrait servir d'échafaudage pour la recellularisation afin d'étudier la production de PG. De plus, les concentrations locales de prostanoïdes dans les zones fibrotiques et non fibrotiques doivent être examinées pour identifier les changements potentiels dans les PG profibrotiques et antifibrotiques et leur dépendance à la rigidité de la matrice.

Ensemble, les auteurs ont identifié de manière exhaustive plusieurs points dans la régulation de la PGE2 synthèse en fonction de l'environnement biomécanique. Ils fournissent une explication supplémentaire de la diminution des concentrations de PGE2 chez les patients atteints de FPI et mettent en évidence le potentiel de ciblage de la PGE2 voie dans la fibrose pulmonaire.


Régulation du facteur de croissance

L'ECM fait partie intégrante de la régulation des facteurs de croissance du corps. La ténascine-X (TNXB) est la plus grande glycoprotéine de la matrice extracellulaire. Il est essentiel à la formation de collagène, à l'adhésion cellulaire à l'ECM, ainsi qu'à l'architecture et à la structure de l'ECM. Les carences en TNXB provoquent une hyperélasticité de la peau ainsi que des articulations hypermobiles. La famille TGFß (facteur de croissance transformant bêta) joue un rôle important dans un large éventail d'activités cellulaires, notamment : la différenciation cellulaire, la survie cellulaire, la migration cellulaire, la transcription du collagène, la cicatrisation des plaies et le développement embryonnaire. Le TGFß fait également partie intégrante de la modulation immunitaire, y compris l'équilibre entre TH1/TH2/TH17. Les domaines du gène TNXB modulent l'utilisation, la maturation et la transcription du TGFß (3, 4). Par conséquent, nous nous attendrions à ce que des problèmes physiologiques considérables surviennent en raison de la perturbation du TNXB et de l'ECM.

Le VEGF (facteur de croissance endothélial vasculaire) est essentiel pour l'apport d'oxygène aux tissus pauvres en oxygène, ainsi que pour la récupération après l'exercice, la formation de vaisseaux sanguins et l'intégrité et la fonction musculaire. Il est important de noter que le VEGF-A (facteur de croissance endothélial vasculaire) et le VEGF-B se lient directement au TNXB dans la matrice extracellulaire. Les personnes ayant une mauvaise circulation, une fatigue musculaire, une intolérance à l'exercice peuvent avoir une faible activité VEGF.


Composition et fonction de l'ECM

Composants de la matrice

La MEC est définie comme la collection diversifiée de protéines et de sucres qui entoure les cellules dans tous les tissus solides. Ce compartiment tissulaire fournit un support structurel en maintenant un échafaudage insoluble, ce qui définit à son tour la forme et les dimensions caractéristiques des organes et des tissus complexes. L'ECM est principalement composé d'un maillage imbriqué complexe de collagènes fibrillaires et non fibrillaires, de fibres élastiques et de glycoprotéines non collagènes contenant des glycosaminoglycanes (GAG) (hyaluronane et protéoglycanes). Bien que l'ECM ait historiquement été perçue comme remplissant un rôle principalement structurel et donc biomécanique, la capacité de l'ECM à fournir les informations contextuelles responsables du contrôle du comportement cellulaire individuel et collectif a été de plus en plus reconnue ces dernières années.

Après la synthèse intracellulaire, les composants de l'ECM sont sécrétés dans la matrice interstitielle qui entoure et soutient les cellules, et est le principal fournisseur d'échafaudage structurel pour les tissus. Cette matrice joue également un rôle clé dans la protection des cellules en agissant comme un tampon de compression lorsque les tissus sont soumis à des contraintes déformantes. La matrice interstitielle trouvée dans la plupart des tissus, mais pas dans tous, est principalement constituée de collagène fibreux de type I, qui, avec la fibronectine, confère une résistance mécanique aux tissus (Erler et Weaver, 2009). Bien que les collagènes soient collectivement le composant le plus abondant de la MEC, l'expression différentielle des composants de la MEC interstitielle individuelle sous-tend les fonctions spécifiques de nombreux organes et tissus. Par exemple, le sulfate de chondroïtine, un GAG sulfaté qui se trouve généralement attaché aux protéines dans le cadre d'un protéoglycane, est fortement exprimé dans les MEC des tissus conjonctifs tels que le cartilage, les tendons, les ligaments et les artères principales, où il aide à maintenir l'intégrité structurelle. du tissu. En revanche, la protéine sécrétée acide et riche en cystéine (SPARC), une glycoprotéine matricellulaire initialement appelée ostéonectine, a été identifiée à l'origine dans l'os, où elle se lie au collagène et au Ca 2+ , initiant la nucléation lors de la minéralisation osseuse (Termine et al., 1981 ). Cependant, il a également été démontré que SPARC est sécrété par des cellules non épithéliales dans des tissus non ossifiants (Sage et al., 1984) pendant le développement et la réparation tissulaire, où il médie le remodelage et le renouvellement de la MEC, et les interactions cellule-ECM (Engel et al., 1987 Sage et al., 1989 Funk et Sage, 1991 Lane et Sage, 1994 Murphy-Ullrich et al., 1995 Chlenski et Cohn, 2010). La charge mécanique externe des tissus peut également moduler la composition de la MEC dans certains tissus. Par exemple, dans les situations où la mobilité est altérée, il y a une diminution de la teneur en protéoglycanes du collagène articulaire et de la densité minérale osseuse, mais celles-ci augmentent avec l'exercice (Bird et al., 2000 Rittweger et al., 2006 Rittweger et al. , 2009), suggérant que la composition de la MEC est modulée par des stimuli intrinsèques et extrinsèques.

En plus de la matrice interstitielle, les membranes basales extracellulaires (BM) sont une forme spécialisée de MEC en forme de feuille à laquelle les cellules épithéliales peuvent s'ancrer et qui interagissent directement avec l'épithélium et l'endothélium. Ces membranes sont principalement constituées de collagène IV, de laminines, d'entactine (également appelée nidogène) et de protéoglycanes d'héparane sulfate (Erler et Weaver, 2009). Les BM jouent un rôle clé dans la fonction des cellules épithéliales, fournissant des indices d'orientation qui aident à établir et à maintenir la polarité apicobasale et la différenciation cellulaire.

L'ECM remplit de nombreuses fonctions en plus de fournir un soutien structurel. Macroscopiquement, l'ECM sépare physiquement les cellules et les organes et agit comme un coussin protecteur - par exemple, en régulant la pression hydrostatique dans les tissus et les organes. Au niveau microscopique, ce réseau moléculaire hautement dynamique est également capable de réguler le comportement cellulaire en modulant, entre autres, la prolifération, l'organisation du cytosquelette, la différenciation cellulaire et la signalisation des récepteurs (Paszek et Weaver, 2004 Kass et al., 2007). De tels mécanismes de signalisation biochimique « de l'extérieur vers l'intérieur » reposent sur l'organisation spatiale précise des ligands de l'ECM pour intégrer des signaux complexes de manière régulée (Hynes, 2009). Les propriétés biophysiques de la matrice régulent également les voies mécanosensorielles cellulaires – à travers la rigidité globale du substrat (un phénomène défini comme la mécanotaxie ou la durotaxis) (Lo et al., 2000 Wong et al., 2003 Hadjipanayi et al., 2009) ou la tension extracellulaire (connue comme tensotaxis) (Beloussov et al., 2000) - qui incitent les cellules à détecter et à répondre aux changements dans la biomécanique des tissus (Yu et al., 2010). En outre, l'ECM séquestre également et agit donc comme un «dépôt local» pour un large éventail de facteurs de croissance et de cytokines. Par exemple, une lésion tissulaire peut déclencher des activités de protéase, conduisant à une libération rapide de molécules de signalisation [telles que le facteur de croissance transformant-β (TGFβ) (Wipff et al., 2007 Wells et Discher, 2008)], qui à son tour permet une rapide et activation médiée par un facteur de croissance local des fonctions cellulaires sans synthèse de novo.


Introduction

Les 20 dernières années ont vu la biologie du cancer et la biologie du développement converger, et les deux domaines ont grandement bénéficié des progrès de recherche de l'autre (Xie et Abbruzzese, 2003 Radtke et Clevers, 2005 Blanpain et al., 2007). Rétrospectivement, une telle convergence est inévitable, car bon nombre des mêmes comportements et processus cellulaires essentiels au développement embryonnaire sont également indispensables à la progression du cancer (Egeblad et al., 2010a). Le concept selon lequel les microenvironnements locaux, ou niches, jouent un rôle important dans la régulation du comportement cellulaire, qui est l'un des thèmes centraux de l'embryologie classique, est de plus en plus accepté en biologie du cancer (Bissell et Radisky, 2001 Wiseman et Werb, 2002 Bissell et Labarge , 2005).

Beaucoup d'efforts ont été consacrés à déterminer comment les composants cellulaires de la niche initient et favorisent le développement du cancer (Bhowmick et al., 2004). Cependant, des progrès récents ont également mis en évidence l'importance des composants non cellulaires de la niche, en particulier l'ECM, au cours de la progression du cancer (Sternlicht et al., 1999 Paszek et al., 2005 Erler et al., 2006, 2009 Levental et al., 2009 ). Bien que longtemps considérée comme une structure stable qui joue un rôle principalement de soutien dans le maintien de la morphologie des tissus, la MEC est une partie essentielle du milieu d'une cellule qui est étonnamment dynamique et polyvalente et influence les aspects fondamentaux de la biologie cellulaire (Hynes, 2009). Par des moyens directs ou indirects, l'ECM régule presque tous les comportements cellulaires et est indispensable aux principaux processus de développement (Wiseman et al., 2003 Stickens et al., 2004 Rebustini et al., 2009 Lu et al., 2011).

Conformément aux nombreux rôles importants de la MEC, de multiples mécanismes de régulation existent pour garantir que la dynamique de la MEC, mesurée collectivement par sa production, sa dégradation et son remodelage, est normale pendant le développement et la fonction des organes (Page-McCaw et al., 2007). La perturbation de ces mécanismes de contrôle dérégule et désorganise l'ECM, entraînant des comportements anormaux des cellules résidant dans la niche et, finalement, une défaillance de l'homéostasie et de la fonction des organes. En effet, la dynamique anormale de la MEC est l'un des résultats cliniques les plus évidents dans des maladies telles que la fibrose tissulaire et le cancer (Cox et Erler, 2011).

Un défi majeur dans la biologie de l'ECM est de comprendre les rôles de l'ECM dans le développement normal et comment la perturbation de la dynamique de l'ECM peut contribuer à des maladies telles que le cancer. Ici, nous examinons les diverses propriétés de la MEC qui sont essentielles pour ses rôles polyvalents dans le cancer. Nous nous concentrons sur la façon dont la MEC anormale dérégule le comportement de divers composants des cellules épithéliales et stromales à différents stades du développement du cancer.

Propriétés et caractéristiques de l'ECM

L'ECM est composé d'une grande collection de composants biochimiquement distincts, notamment des protéines, des glycoprotéines, des protéoglycanes et des polysaccharides ayant différentes propriétés physiques et biochimiques (Whittaker et al., 2006 Ozbek et al., 2010). Structurellement, ces composants constituent à la fois la membrane basale, qui est produite conjointement par les cellules épithéliales, endothéliales et stromales pour séparer l'épithélium ou l'endothélium du stroma, et la matrice interstitielle, qui est principalement constituée de cellules stromales. La membrane basale est une MEC spécialisée, plus compacte et moins poreuse que la matrice interstitielle. Il a une composition distinctive contenant du collagène de type IV, des laminines, de la fibronectine et des protéines de liaison telles que le nidogène et l'entactine, qui relient les collagènes à d'autres composants protéiques. En revanche, la matrice interstitielle est riche en collagènes fibrillaires, en protéoglycanes et en diverses glycoprotéines telles que la ténascine C et la fibronectine et est donc très chargée, hydratée et contribue grandement à la résistance à la traction des tissus (Egeblad et al., 2010b).

Lorsqu'ils sont assemblés de manière ordonnée, les composants de l'ECM, avec leur diversité structurelle et biochimique remarquable et leur polyvalence fonctionnelle, confèrent aux matrices des propriétés physiques, biochimiques et biomécaniques uniques qui sont essentielles pour réguler le comportement cellulaire. Par exemple, les propriétés physiques de l'ECM font référence à sa rigidité, sa porosité, son insolubilité, sa disposition spatiale et son orientation (ou topographie) et à d'autres caractéristiques physiques qui déterminent ensemble son rôle dans l'échafaudage pour soutenir l'architecture et l'intégrité des tissus. De plus, en fonctionnant comme une barrière, un site d'ancrage ou une piste de mouvement, les propriétés physiques de l'ECM jouent des rôles à la fois négatifs et positifs dans la migration cellulaire (Fig. 1, étapes 1 à 3).

En revanche, les propriétés biochimiques de l'ECM se rapportent à ses capacités de signalisation indirecte et directe qui permettent aux cellules de détecter et d'interagir avec leur environnement en utilisant diverses cascades de transduction de signaux émanant de la surface cellulaire vers le noyau, entraînant l'expression des gènes ou d'autres changements cellulaires. comportement. Par exemple, en tant que réseau de protéines hautement chargées riches en modifications de polysaccharides, l'ECM peut se lier à une myriade de facteurs de croissance, notamment des protéines morphogénétiques osseuses, des FGF, des hedgehogs et des WNT (Hynes, 2009). Ce faisant, l'ECM limite la plage de diffusion, l'accessibilité et la direction de signalisation des ligands vers leurs récepteurs apparentés (Fig. 1, stades 4-6 Norton et al., 2005). De plus, l'ECM peut également initier directement des événements de signalisation, en particulier en fonctionnant comme un précurseur de fragments de signalisation biologiquement actifs (Fig. 1, stade 7 Hynes, 2009 Lu et al., 2011).

Un domaine en plein essor dans la biologie de la MEC est la façon dont ses propriétés biomécaniques, y compris l'élasticité de la MEC (qui va de molle et souple à rigide et rigide), contribuent au développement et à la maladie (McBeath et al., 2004 Reilly et Engler, 2010). Il s'avère que l'élasticité de la MEC aide à déterminer comment une cellule détecte et perçoit les forces externes (Paszek et al., 2005 Lopez et al., 2008 Gehler et al., 2009) et fournit ainsi un indice environnemental majeur qui détermine le comportement cellulaire (Kölsch et al., 2007 Montell, 2008 Fernandez-Gonzalez et al., 2009 Pouille et al., 2009 Solon et al., 2009 DuFort et al., 2011). En effet, le complexe d'adhésion focale, constitué d'intégrines et d'un multicomplexe d'adaptateurs et de protéines de signalisation, peut être considéré comme un mécanocapteur reliant le cytosquelette d'actomyosine à l'ECM. De nombreux composants d'adhésion focale, y compris la taline et le p130Cas, subissent des changements de conformation qui ont des conséquences fonctionnelles en réponse à la force appliquée (Sawada et al., 2006 del Rio et al., 2009 Wang et al., 2011). Avec le cytosquelette et les matrices nucléaires, l'enveloppe nucléaire et la chromatine, ils constituent une machinerie de mécanodétection sophistiquée qui détermine comment les cellules réagissent aux forces de l'ECM (DuFort et al., 2011). Fait intéressant, cependant, les changements de force mécanique peuvent être convertis en différences dans les activités de signalisation du TGF-β dans le tendon de la souris (Maeda et al., 2011), suggérant que les voies de signalisation conventionnelles peuvent être utilisées pour interpréter les propriétés biomécaniques de la MEC. En conséquence, les propriétés biomécaniques de la MEC régulent divers comportements cellulaires essentiels, notamment la détermination du destin cellulaire, la différenciation et la fonction tissulaire (Fig. 1, stade 8 Engler et al., 2006 Lutolf et al., 2009 Gilbert et al., 2010).

Il est important de noter que plusieurs caractéristiques exceptionnelles des propriétés de la MEC contribuent à son importance dans le développement et la maladie. Premièrement, les différentes propriétés de l'ECM ne sont pas indépendantes, elles sont plutôt liées. Par conséquent, lorsque l'ECM se raidit, comme, par exemple, dans des conditions pathologiques, ses propriétés biomécaniques changent et les cellules réagissent en exerçant des types de force nettement différents (Yu et al., 2011). En outre, le raidissement de la matrice modifie également d'autres propriétés physiques de l'ECM et, par conséquent, a un impact direct sur la manière dont les cellules en migration interagissent avec l'ECM. Ainsi, les faisceaux de collagène réticulé linéarisé, qui sont assez rigides, potentialisent la migration cellulaire, alors qu'un réseau dense de fibres matricielles réticulées rigides entrave la migration, à moins que les métalloprotéinases matricielles (MMP) ne soient activées simultanément (Egeblad et al., 2010b).

Deuxièmement, la MEC est hautement dynamique, étant constamment remodelée dans différents tissus à divers stades embryonnaires et postnatals. La dynamique de l'ECM peut résulter de changements de la quantité ou de la composition absolue de l'ECM, par exemple à la suite d'une synthèse altérée ou d'une dégradation d'un ou plusieurs composants de l'ECM. Alternativement, la dynamique de l'ECM peut ne montrer aucun changement de composition de ses composants, mais impliquer uniquement la manière dont les composants individuels de l'ECM sont définis, réticulés et arrangés spatialement ensemble via des modifications covalentes et non covalentes.

Enfin, l'une des caractéristiques les plus importantes des interactions cellule-ECM est qu'elles sont réciproques. D'une part, les cellules créent, décomposent ou réorganisent et réalignent constamment des composants ECM pour modifier une ou plusieurs propriétés de l'ECM. D'un autre côté, comme l'ECM régule divers comportements cellulaires, tout changement dans l'ECM résultant des activités cellulaires influencera à son tour les cellules adjacentes et modifiera leurs comportements (Butcher et al., 2009). Ce mécanisme de régulation par rétroaction entre les cellules et l'ECM permet aux cellules et aux tissus de s'adapter rapidement à leur environnement (Samuel et al., 2011).

La dynamique déréglementée de la MEC est une caractéristique du cancer

Le remodelage de l'ECM est étroitement régulé au cours du développement et principalement réalisé en contrôlant l'expression ou les activités des enzymes de l'ECM à plusieurs niveaux. Prenez par exemple les enzymes dégradant l'ECM, qui comprennent les MMP, une désintégrine et une métalloprotéinase avec des motifs de thrombospondine, et la sérine protéase plasmine : si elles ne sont pas contrôlées, les puissantes activités de ces enzymes peuvent avoir des conséquences destructrices dévastatrices sur les tissus et provoquer la mort de l'organisme entier. En conséquence, les enzymes de remodelage de l'ECM ne sont pas seulement régulées aux niveaux transcriptionnel et traductionnel, mais également post-traductionnelle avec l'utilisation de leurs prodomaines fonctionnellement inhibiteurs et inhibiteurs sélectifs de la protéinase (Page-McCaw et al., 2007 Aitken et Bägli, 2009).

Malgré de multiples mécanismes de contrôle, les activités des enzymes de remodelage de la MEC peuvent être dérégulées avec l'âge ou dans des conditions pathologiques. Par conséquent, la dynamique de l'ECM peut devenir anormale lorsque la quantité, la composition ou la topographie de l'ECM deviennent aberrantes, entraînant une désorganisation et des modifications des propriétés essentielles de l'ECM. Les principaux contributeurs aux activités altérées des enzymes de remodelage de la MEC et donc au métabolisme anormal de la MEC sont les cellules stromales, y compris les fibroblastes associés au cancer (CAF) et les cellules immunitaires (Bhowmick et al., 2004 Orimo et al., 2005). Cependant, d'autres types de cellules, notamment les cellules épithéliales et les cellules souches mésenchymateuses (CSM), peuvent également être impliquées à des stades avancés du développement du cancer (Quante et al., 2011 Singer et Caplan, 2011).

La dynamique anormale de la MEC est bien documentée dans les études cliniques de nombreuses maladies et est une caractéristique du cancer. Par exemple, une production excessive d'ECM ou un renouvellement d'ECM réduit sont importants dans la fibrose tissulaire de nombreux organes (Frantz et al., 2010). Divers collagènes, y compris les collagènes I, II, III, V et IX, présentent un dépôt accru pendant la formation de tumeurs (Zhu et al., 1995 Kauppila et al., 1998 Huijbers et al., 2010). En vieillissant, il y a une réduction des dépôts de collagène et une augmentation de l'activité MMP (Norton et al., 2005 Butcher et al., 2009). De plus, de nombreux autres composants de la MEC et leurs récepteurs tels que les protéoglycanes d'héparane sulfate et le CD44 qui facilitent la signalisation des facteurs de croissance sont fréquemment surproduits dans le cancer (Kainz et al., 1995 Stauder et al., 1995 Nasser, 2008). Ainsi, des changements anormaux dans la quantité et la composition de l'ECM peuvent altérer considérablement les propriétés biochimiques de l'ECM, potentialiser les effets oncogènes de diverses voies de signalisation des facteurs de croissance et déréguler les comportements cellulaires pendant la transformation maligne.

En plus des changements dans ses propriétés biochimiques, l'architecture et d'autres propriétés physiques de la MEC associée à la tumeur sont fondamentalement différentes de celles du stroma tissulaire normal plutôt que des fibrilles non orientées relâchées, le collagène I dans les tumeurs du sein est souvent hautement linéarisé et soit orienté adjacent à l'épithélium ou se projetant perpendiculairement dans le tissu (Provenzano et al., 2006 Levental et al., 2009). Conformément à ces changements, l'expression de nombreuses enzymes de remodelage de la MEC est souvent dérégulée dans les cancers humains. Les héparanases, les 6-O-sulfatases, les cathepsines à cystéine, l'urokinase et, plus particulièrement, de nombreuses MMP sont fréquemment surexprimées dans différents cancers (Ilan et al., 2006 Kessenbrock et al., 2010).

De plus, les propriétés biomécaniques de la MEC changent également en cas de maladie. Par exemple, le stroma tumoral est généralement plus rigide que le stroma normal dans le cas du cancer du sein, le tissu malade peut être 10 fois plus rigide que le sein normal (Levental et al., 2009 Lopez et al., 2011). Une partie de l'augmentation de la rigidité des tissus peut être attribuée aux activités excessives de la lysyl oxydase (LOX), qui réticule les fibres de collagène et d'autres composants de la MEC. En effet, une régulation à la hausse de l'expression de LOX a été observée dans divers cancers, dont le cancer du sein et le cancer de la tête et du cou, et constitue un mauvais marqueur pronostique (Le et al., 2009 Barker et al., 2011). Fait important, une étude utilisant la génétique de souris a montré que la surexpression de LOX augmente la rigidité de la MEC et favorise l'invasion et la progression des cellules tumorales (Levental et al., 2009). En revanche, l'inhibition de LOX réduit la fibrose tissulaire et l'incidence des tumeurs dans le Neu modèle de cancer du sein (Levental et al., 2009). Ensemble, ces données démontrent que la dérégulation de la réticulation du collagène et de la rigidité de la MEC est plus qu'un simple résultat secondaire, mais joue plutôt un rôle causal dans la pathogenèse du cancer. Fait intéressant, cependant, la surexpression de LOX seule est insuffisante pour provoquer la formation de tumeurs (Levental et al., 2009), suggérant que la dérégulation du remodelage de la MEC est un coconspirateur plutôt qu'un inducteur principal de la tumorigenèse dans le sein.

Dynamique anormale de la MEC au cours de la progression du cancer

Les organismes multicellulaires ont développé de nombreux mécanismes redondants pour empêcher une cellule qui est intimement intégrée à d'autres cellules dans un tissu fonctionnel de devenir cancéreuse et d'entraîner une défaillance organique et la disparition de l'organisme. Pour surmonter ces mesures de protection et devenir cancéreuse, une cellule doit accumuler de multiples propriétés oncogènes qui aboutissent finalement à une transformation maligne. Ceux-ci incluent l'acquisition par les cellules cancéreuses de la capacité de survivre, de croître et d'envahir (Hanahan et Weinberg, 2000, 2011). Along the way, cancer cells often lose their differentiation state and polarity, disrupt tissue integrity, and corrupt stromal cells to promote their own growth at both primary tumor and distant sites (Feigin and Muthuswamy, 2009 Luo et al., 2009).

Abnormal ECM can promote many of the aforementioned steps. An increase in collagen deposition or ECM stiffness, alone or in combination, up-regulates integrin signaling and can thus promote cell survival and proliferation (Wozniak et al., 2003 Paszek et al., 2005). Increased collagen cross-linking and ECM stiffness as a result of LOX overproduction promote focal adhesion assembly and ERK and PI3 kinase signaling and facilitate Neu-mediated oncogenic transformation (Levental et al., 2009). Moreover, various ECM components or their functional fragment derivatives have pro- or antiapoptotic effects (Mott and Werb, 2004). Therefore, deregulation of ECM remodeling can lead to apoptotic evasion by mutant cells. Among the numerous roles of abnormal ECM, we focus in the next section on how it may convert a normal stem cell niche into a cancer stem cell niche and how it may disrupt tissue polarity and integrity to promote tissue invasion, both of which are essential steps during cancer progression.

The ECM is an essential component of the stem cell niche and the cancer stem cell niche

Mounting evidence suggests that the ECM is an essential noncellular component of the adult stem cell niche. For example, various ECM receptors have been used as markers to enrich adult stem cells in many in vitro and in vivo systems (Shen et al., 2008 Raymond et al., 2009), suggesting that contact with the ECM is necessary for cells to acquire or maintain stem cell properties. In contrast, loss of ECM contact by either functional ablation (Yamashita et al., 2005 Tanentzapf et al., 2007 O’Reilly et al., 2008) or reduction (Frye et al., 2003) of the ECM receptor integrins or reduction of ECM components, including the glycoproteins osteopontin (Kollet et al., 2006 Lymperi et al., 2010), tenascin C (Garcion et al., 2004), or biglycan (Bi et al., 2007), reduces the number of stem cells in different vertebrate and invertebrate systems.

Studies now show that the ECM plays multiple roles in the stem cell niche. For example, ECM receptors allow stem cells to anchor to the special local niche environment where stem cell properties can be maintained. Such an anchorage physically constrains stem cells to make direct contact with niche cells, which produce paracrine signaling molecules that are essential for maintaining stem cell properties (Fig. 2 A, stage 1 Li and Xie, 2005). Moreover, anchorage allows stem cells to maintain cell polarity, orient their mitotic spindles, and undergo asymmetric cell division (Fig. 2 A, stage 2), a fundamental mechanism whereby stem cell self-renewal and differentiation are thought to be determined (Lambert and Nagy, 2002 Fuchs et al., 2004 Lechler and Fuchs, 2005 Yamashita and Fuller, 2008).

In addition to maintaining stem cell properties, the ECM, via its diverse and potent signaling abilities, can directly regulate stem cell differentiation, although the molecular details of how this is achieved have only just started to emerge. Many of the signaling pathways that play an important role in stem cell biology in numerous model systems are subject to ECM modulation. For example, tenascin C can modulate FGF2 and BMP4 signaling, both of which are essential for neural stem cell biology (Garcion et al., 2004), whereas the ECM regulates ligand accessibility of the Janus kinase–signal transducer and activator of transcription signaling pathway in the fly testis (Yamashita et al., 2005).

The biomechanical properties of the ECM also play an important role in regulating stem cell biology. MSCs grown on polymer gels with similar elasticity to the brain express neuronal markers and morphology, whereas those grown on gels that are semicompliant like smooth and skeletal muscle tissues or rigid like the bone express muscle or bone proteins, respectively (McBeath et al., 2004 Engler et al., 2006). Likewise, muscle stem cells grown on soft hydrogels with elasticity mimicking that of real muscle differentiate into functional muscle (Gilbert et al., 2010), highlighting the great promise that tissue engineering may hold in regenerative medicine. Together, it is conceivable that by modulating various aspects of ECM properties, a lineage-specific ECM may be created to facilitate cell differentiation processes during lineage specification and organ development (Fig. 2 A, stage 3).

The decision between stem cell expansion and differentiation is a delicate one and must be tightly controlled during normal organ homeostasis and function. An imbalance of these two events can lead to the generation of tumor-initiating cells, which have been called cancer stem cells by either overexpanding the stem cell pool or a failure in stem cell differentiation. Indeed, loss of cell polarity as a result of ablation of Numb or Lgl protein, essential components of the cell polarity machinery, disrupts asymmetric cell division and leads to overexpansion of neural stem cells and tumor formation in the brain (Li et al., 2003 Klezovitch et al., 2004). Therefore, the essential roles that the ECM plays in the stem cell niche make it a likely candidate to be targeted to create a cancer stem cell niche during cellular transformation. It is possible, at least theoretically, that deregulated ECM dynamics may cause formation of abnormal lineage-specific ECM and lead to cancer stem cell overexpansion and loss of differentiation (Fig. 2 B). However, whether a cancer stem cell niche may result from such an event of ECM dynamics deregulation remains to be rigorously tested.

The ECM maintains tissue polarity and architecture and prevents cancer cell invasion

An important feature of epithelial organs, which is often lost in cancer, is that cells in them have distinct polarity and architecture that are indispensable for organ formation and function (Ghajar and Bissell, 2008). Studies have shown that ECM is essential for the establishment and maintenance of tissue polarity and architecture. For example, β1-integrin maintains tissue polarity in solid organs including the mammary gland (Akhtar et al., 2009), whereas various ECM components are important for planar cell polarity during epithelial morphogenesis (Davidson et al., 2006 Latimer and Jessen, 2010 Skoglund and Keller, 2010). Abnormal ECM dynamics can compromise basement membrane as a physical barrier and promote epithelial–mesenchymal transition, which together can facilitate tissue invasion by cancer cells (Song et al., 2000 Duong and Erickson, 2004 Radisky and Radisky, 2010).

One way the physical barrier of basement membrane can be removed, at least partially, is by overexpressing MMPs. Consistent with this notion, mice overexpressing MMP3, MMP7, or MMP14 form mammary tumors (Sternlicht et al., 1999). It is reasonable to predict that cancer cells or their accompanying stromal and immune cells bearing MMPs have selective advantage over those that are not because, presumably, they can readily enter and exit the endothelial basement membrane and metastasize to distant sites. Additionally, changes in ECM topography may also facilitate cancer cell migration. Thickening and linearization of collagen fibers are common in cancers, and they are often found in areas where active tissue invasion and tumor vasculature are observed (Condeelis and Segall, 2003 Provenzano et al., 2006 Levental et al., 2009), suggesting that they play an active role in facilitating cancer cell invasion. Indeed, studies using live imaging have shown that cancer cells migrate rapidly on collagen fibers in areas enriched in collagen (Wang et al., 2002 Condeelis and Segall, 2003 Wyckoff et al., 2007).

Together, deregulation of ECM dynamics can facilitate cellular dedifferentiation and cancer stem cell expansion. Additionally, they disrupt tissue polarity and promote tissue invasion. As a result, epithelial cells are directly affected by deregulated ECM dynamics, leading to cellular transformation and metastasis.

Abnormal ECM promotes formation of a tumor microenvironment

Abnormal ECM also indirectly affects cancer cells by influencing the behavior of stromal cells, including endothelial cells, immune cells, and fibroblasts, which are the main initial culprits that cause abnormal ECM production (Bhowmick et al., 2004 Orimo et al., 2005 Quante et al., 2011). As a result, abnormal ECM further perpetuates the local niche and promotes the formation of a tumorigenic microenvironment.

Role of the ECM in tumor angiogenesis and lymphangiogenesis

As a disorganized organ, tumor develops by using many of the same cellular and developmental processes essential for organogenesis (Ruoslahti, 2002 Egeblad et al., 2010a). For a tumor to increase in size, for example, tumor cells face the same increasing demand for nutrient, oxygen, and waste exchange as normal cells do in a growing organ during development. As in normal development, such a demand is met by angiogenesis, the process whereby new blood vessels sprout from the existing vasculature (Davis and Senger, 2005). Furthermore, tumor vasculature, together with the lymphatic system, is the main route through which cancer cells metastasize and immune cells infiltrate. Consequently, tumor-associated angiogenesis and lymphangiogenesis, the process whereby lymphatic vessels are generated, are important aspects of cancer progression (Fig. 3 Avraamides et al., 2008).

The role of abnormal ECM in tumor angiogenesis is a result of the various functions that ECM components play in blood vessel formation during normal development. For example, many ECM fragments, including endostatin, tumstatin, canstatin, arresten, and hexastatin, all of which are derived from collagens type IV and XVIII, have potent stimulatory or inhibitory effects on angiogenesis (Mott and Werb, 2004). They are likely to collaborate with other pro- or antiangiogenic factors, including VEGF, to determine where to initiate vascular branching and the final branch pattern (Fig. 3 A, stage 1). To initiate vascular branching, vessel basement membrane ECM needs to be removed most likely by MMPs expressed by invading endothelial cells (Fig. 3 A, stage 2). MMPs, for example MMP14 (MT1-MMP), are also required for the invading tip cell, which is at the leading edge of an endothelial branch, to wade through the interstitial matrix toward target cells (Fig. 3 A, stage 3 Genís et al., 2007 van Hinsbergh and Koolwijk, 2008). In addition, hypoxia can lead to overproduction of LOX-like protein-2 and a subsequent increase in ECM cross-linking and stiffening, resulting in sprouting angiogenesis (Bignon et al., 2011). These data suggest that ECM biomechanical properties also play essential roles in angiogenesis.

Angiogenesis is a complex process, requiring coordination of many cellular activities. Thus, in addition to guiding endothelial cell migration and branching, ECM and its fragments may be involved in endothelial cell survival and proliferation to supply cellular building blocks for vessel growth (Sweet et al., 2011). Furthermore, ECM components are involved in cellular morphogenesis, including vessel lumen formation (Newman et al., 2011) and other aspects of tubulogenesis during tumor angiogenesis (Davis and Senger, 2005). The biomechanical properties of the ECM appear to play an especially important role in this process. Indeed, vascular networks with markedly distinct branching patterns have been observed when endothelial cells are grown on matrix with different elasticity (Myers et al., 2011).

Finally, new ECM is deposited to form basement membrane to surround blood vessels during tumor angiogenesis. Importantly, however, the basement membrane of the tumor vasculature is more porous and leaky than normal (Hewitt et al., 1997 Hashizume et al., 2000), which facilitates tumor cell metastasis and immune cell infiltration and promotes cancer progression (Ruoslahti, 2002 Egeblad et al., 2010a). Likewise, the lymphatic system can also transport tumor and immune cells. Recent studies show that the ECM receptor integrin α9β1 plays an important role in the formation of lymphatic vessels (Huang et al., 2000 Avraamides et al., 2008), suggesting that the ECM is likely to play a role in tumor lymphangiogenesis as well. However, this suggestion awaits further experimental testing, as do the details of how abnormal ECM dynamics may deregulate lymphangiogenesis during cancer progression.

Role of the ECM in tumor-associated inflammation

Inflammation, characterized by massive influx of immune cells, plays a causative role in cancer development. Although their initial function is supposed to suppress tumor growth, immune cells including macrophages are often altered and recruited by tumor cells at later stages to promote cancer (Coussens and Werb, 2002). As in tumor angiogenesis, abnormal ECM affects many aspects of immune cell behaviors, including infiltration, differentiation, and functional activation.

For example, mice lacking the ECM glycoprotein SPARC (secreted protein acidic and rich in cysteine) have an increased number of macrophages in tumors, suggesting that the ECM can influence the number of immune cells. One way the ECM affects immune cells is by regulating cell proliferation (Adair-Kirk and Senior, 2008 Sorokin, 2010). ECM components also may function as chemoattractants to immune cells (Fig. 3 B, stage a). For example, elastin fragments are able to recruit monocytes, but not neutrophils, in the rat lung (Houghton et al., 2006). The acetylated tripeptide Pro-Gly-Pro derived from collagen I proteolysis by MMP8 or MMP9 can functionally mimic the chemoattractant CXCL8 on neutrophils in a lung inflammation model (Weathington et al., 2006). Alternatively, activation of collagen receptor DDR1 can also promote macrophage infiltration in atherosclerotic plaques (Franco et al., 2009).

To reach the inflamed or tumor sites, immune cells encounter two kinds of potential ECM barriers: the endothelial basement membrane and interstitial matrix. Studies using EM and, more recently, intravital imaging have shown that transmigration across the endothelial basement membrane is a rate-limiting step during T cell extravasation (Wang et al., 2006 Bartholomäus et al., 2009). Interestingly, however, inhibition of integrin α6β1, which binds to laminin, results in reduced neutrophil infiltration and trapping of neutrophils between endothelium and the basement membrane (Dangerfield et al., 2002). These data suggest that, although the basement membrane is a barrier to immune cell extravasation, binding and attachment to ECM components are necessary for transmigration to occur. It remains unclear how immune cells transmigrate across the basement membrane, for example, regarding whether ECM degradation is involved and whether immune cells have preferred and presumably more porous passage sites along the vessel wall (Rowe and Weiss, 2008). Once they enter the stroma, immune cells travel through the interstitial matrix during infiltration. As in the cases of tumor and endothelial cells, ECM topography such as collagen fibril size and density can influence migration of immune cells (Fig. 3 B, stage a Lämmermann et al., 2008).

The ECM also regulates the activation of immune cells. For example, increased ECM stiffness can promote integrin-mediated adhesion complex assembly and activate T cells (Ashkar et al., 2000 Adler et al., 2001 Hur et al., 2007 Sorokin, 2010). Although collagen type I promotes infiltration of immune cells, it inhibits the ability of macrophages to kill cancer cells by blocking polarization and, thus, activation of macrophages (Fig. 3 B, stage b Kaplan, 1983). These results highlight the complex nature of how ECM deregulation may affect behaviors of different groups of immune cells. The inhibitory effect of collagen I on immune cells is likely mediated by its binding with the leukocyte-associated Ig-like receptors (LAIRs), which are expressed at the surface of most immune cells (Meyaard, 2008 Frantz et al., 2010). At present, it is not clear whether LAIRs and integrins cooperate however, the activation of LAIRs is a plausible mechanism whereby high levels of tumor collagen can attenuate the otherwise tumor-suppressive function of immune cells. Additionally, the ECM plays an important role in immune cell differentiation, including the maturation process of T helper cells (Chabas et al., 2001 Hur et al., 2007). A study also shows that hyaluronan can induce regulatory T cell differentiation from effector memory T cell precursors (Bollyky et al., 2011). Therefore, one plausible mechanism whereby abnormal ECM sabotages the immune system during cancer development may be to prevent immune cells from undergoing their normal differentiation and maturation process (Fig. 3 B, stage c).

Finally, another group of stromal cells, MSCs, has emerged as an important player in the cancer niche. As multipotent stem cells, MSCs normally can give rise to various cell types, including osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, and, at least under pathological conditions, CAFs (Quante et al., 2011), which are essential for abnormal ECM metabolism. Because the ECM plays an important role in MSC differentiation (Engler et al., 2006), it is likely that MSCs may be yet another target cell population of abnormal ECM dynamics in the formation of a cancer niche. This is an especially important point, as MSCs can exert pleiotropic effects on inflammation (Aggarwal and Pittenger, 2005 Ripoll et al., 2011 Singer and Caplan, 2011). Together, these data reinforce the possibility that, once beyond a certain threshold, deregulated ECM dynamics may cause irreversible changes to the normal niche and convert it into a cancer-promoting environment.

In summary, abnormal ECM dynamics deregulate behaviors of both cancer cells and stromal cells. On the one hand, ECM anomalies promote cancer cell transformation and tissue invasion on the other hand, they help generate a tumorigenic niche that further facilitates cancer progression. Such a double-whammy effect is a recurring theme at later stages of cancer metastasis, as is evident from the next section.

The ECM: An essential component of premetastatic and metastatic niches

Cancer cell metastasis is a multistep process, consisting of local invasion and intravasation at the primary site, survival in the circulation, and extravasation and colonization at the distant site (Paget, 1889). Depending on cancer type and organ destination, these steps may have distinct kinetics during cancer metastasis (Nguyen et al., 2009). A successful metastasis requires not only a local niche to support cancer cell growth at the primary site but also one, the metastatic niche, to allow invading cancer cells to survive, colonize, and expand to form a macrometastasis (Psaila and Lyden, 2009).

Although still in its infancy, studies support that the ECM is, as in the primary tumor niche, an essential component of the metastatic niche. For example, although most metastatic cancer cells die, mammary carcinoma cells expressing the hyaluronan receptor CD44 survive better than cells with low levels of CD44 (Yu et al., 1997). These data imply that hyaluronan and maybe other ECM components promote survival of metastatic cancer cells. Moreover, as in the case of primary tumor niche, LOX activities are often up-regulated in metastatic cancer sites as a result of increased production from cancer cells or activated fibroblasts at the metastatic niche (Erler et al., 2009). Increase in mechanical force as a result of LOX expression and ECM stiffening presumably facilitates colonization of cancer cells and infiltration of immune cells at the metastatic site. These changes may be similar to the ones at the primary niche and together may further trigger the angiogenic switch and lead to cancer cell expansion from micrometastasis to macrometastasis (Fig. 4). However, this notion remains to be tested experimentally.

Remarkably, mounting evidence suggests that cancer cells may remotely modify, often with the involvement of other cell types including hematopoietic progenitor cells, distant sites and proactively participate in the creation of a premetastatic niche before metastasis (McAllister and Weinberg, 2010 Bateman, 2011). For example, cancer cells at the primary site produce osteopontin and other factors to recruit granulin-expressing hematopoietic progenitor cells, which can then deregulate behaviors of the distant stromal cells (Elkabets et al., 2011). Interestingly, granulin, belonging to the epithelin family of secreted growth factors, can increase the expression of a variety of ECM components and their modifying enzymes in stromal fibroblasts (Elkabets et al., 2011).

Changes of ECM composition are important for continued recruitment of hematopoietic progenitor cells to the premetastatic niche. For example, increased fibronectin expression is essential for VEGF receptor 1 + (VEGFR1 + ) hematopoietic progenitor cells, which also express the fibronectin receptor integrin α4β1, to migrate and adhere to the niche in the lung (Kaplan et al., 2005). Once there, VEGFR1 + hematopoietic progenitor cells secrete MMP9, which is known to play a role in lung-specific metastasis (Hiratsuka et al., 2002), and thus further modulate and deregulate the premetastatic niche. In addition to fibronectin, other ECM components may also be important for the function of the premetastatic niche. For example, hyaluronan and its receptor CD44 facilitate signaling via C-X-C chemokine receptor 4 (CXCR4) and its ligand stromal-derived growth factor 1 (SDF1/CXCL12 Netelenbos et al., 2002 Avigdor et al., 2004), which are essential for organ-specific metastasis of tumor cells to the lung or bone marrow (Jones et al., 2006). Thus, these data suggest that deregulation of ECM dynamics is an important step during the formation of a premetastatic niche.

Collectively, a picture has started to emerge with regard to ECM’s roles in cancer progression: normal ECM dynamics are essential for embryonic organ development and postnatal function (Fig. 4 A) deregulated ECM dynamics disrupt tissue polarity, architecture, and integrity and promote epithelial cell transformation and invasion (Fig. 4 B). Furthermore, abnormal ECM dynamics derail stromal cell behavior, leading to tumor-promoting angiogenesis and inflammation by endothelial cells and immune cells, respectively, both at the primary and metastatic sites. The resultant changes in the stromal components further exacerbate the tumorigenic microenvironment and facilitate the process of oncogenic transformation, tissue invasion, and metastasis during cancer initiation and progression (Fig. 4, C and D).

Remarques finales

From the initial belief that the intrinsic properties of cancer cells determine most major aspects of cancer initiation and progression, our understanding of cancer biology has taken remarkable strides. We now regard cancer as a heterogeneous disease not only in the sense that different molecular etiologies may underlie the same clinical outcome but also that multiple cell types, in addition to cancer cells, and noncellular components need to be mobilized and coordinated to support the survival, growth, and invasion of cancer cells. As a major component of the local niche, the ECM has emerged as an essential player at various stages of the carcinogenic process. Its functional diversity and dynamic nature, which allows the ECM to be an active participant in most major cell behavior and developmental processes, also makes it a necessary target whose deregulation may be a rate-limiting step in cancer progression.

An important area of future cancer research will be to determine whether abnormal ECM could be an effective cancer therapeutic target. To achieve this goal, we must understand how ECM composition and organization are normally maintained and regulated and how they may be deregulated in cancer. A daunting task in this regard will be to determine the kind of ECM changes that have causative effects on disease progression and how these changes of the ECM, alone or in combination, may affect cancer cells and cells in the stromal compartment. Additionally, with the growing documentation of the diverse functions of the ECM in development and cancer, a major challenge will be to understand the molecular basis of these functions, whether they involve only receptor signaling, rearrangements of the cytoskeleton, changes of gene expression, or other aspects of cell behavior, and how such changes are integrated with conventional signaling cascades that are known to play a role in these processes.

Abnormal ECM stiffness, as observed in tissue fibrosis, clearly plays an important role in cancer progression. However, we have only begun to decipher how different cell types respond to changes in ECM elasticity and which receptors detect the various types of physical force. It remains to be an important area of research to determine whether ECM elasticity may be restored to normal in cancer and how such a restoration may benefit treatment prognosis. ECM anomalies, including stiffness, have been associated with delivery and resistance of conventional drugs (Egeblad et al., 2010b). Indeed, a decrease in the fibroblast pool and thus the ECM improves drug uptake in the mouse (Loeffler et al., 2006 Olive et al., 2009). Therefore, targeting abnormal ECM may provide yet another effective avenue to combat the complicated illness that is cancer.


Adipose extracellular matrix remodelling in obesity and insulin resistance

The extracellular matrix (ECM) of adipose tissues undergoes constant remodelling to allow adipocytes and their precursor cells to change cell shape and function in adaptation to nutritional cues. Abnormal accumulation of ECM components and their modifiers in adipose tissues has been recently demonstrated to cause obesity-associated insulin resistance, a hallmark of type 2 diabetes. Integrins and other ECM receptors (e.g. CD44) that are expressed in adipose tissues have been shown to regulate insulin sensitivity. It is well understood that a hypoxic response is observed in adipose tissue expansion during obesity progression and that hypoxic response accelerates fibrosis and inflammation in white adipose tissues. The expansion of adipose tissues should require angiogenesis however, the excess deposition of ECM limits the angiogenic response of white adipose tissues in obesity. While recent studies have focused on the metabolic consequences and the mechanisms of adipose tissue expansion and remodelling, little attention has been paid to the role played by the interaction between peri-adipocyte ECM and their cognate cell surface receptors. This review will address what is currently known about the roles played by adipose ECM, their modifiers, and ECM receptors in obesity and insulin resistance. Understanding how excess ECM deposition in the adipose tissue deteriorates insulin sensitivity would provide us hints to develop a new therapeutic strategy for the treatment of insulin resistance and type 2 diabetes.

Mots clés: Adipose tissue Extracellular matrix Fibrosis Insulin resistance Integrins.

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Les figures

Adipose tissue remodelling during the…

Adipose tissue remodelling during the development of obesity. Adipose tissues undergo dramatic remodelling…

Proposed model for how the…

Proposed model for how the activation of ECM receptor pathway in the adipose…

Fibrotic and inflammatory white adipose…

Fibrotic and inflammatory white adipose tissue remodelling in crosstalk with the liver and…


Extracellular Matrix (ECM) Biology Laboratory

A major focus in our laboratory is extracellular matrix (ECM), and its role in innate immune inflammatory responses at mucosal surfaces. The ECM has a significant role in modulating the local inflammatory milieu, while its breakdown can present immune cells with endogenous danger signals to drive excessive immune responses. However, these events are poorly understood.

Our studies on lumican, one such ECM protein, shows that its expression increases in Crohn’s disease and mouse models of colitis. We found that a segment of the lumican protein interacts with toll-like receptor 4 on neutrophils and macrophages that regulates innate immune response and production of inflammatory cytokines. We developed mice deficient in lumican that show poor recovery from a chemically induced colitis. The function of lumican in inflammation may be a double-edged sword—needed for development of protective innate immunity but unrestricted can cause immune dysregulation and chronic inflammation.

We are currently investigating the molecular nature of lumican interactions with host immune functions and developing mimetic peptides and anti-lumican antibodies that could be ultimately used to modulate inflammation. Treatments using anti-TNF-α or other antibodies that block major components of the immune response may have harmful immunosuppressive effects.

Future treatment strategies based on lumican or other proteins of the ECM could become milder approaches to suppress localized inflammation. Recently, we have started investigating, biglycan another lumican-like ECM protein that is perceived as an endogenous danger signal in chronic inflammatory settings.

Our laboratory has examined differential gene expression patterns in Crohn’s disease and ulcerative colitis to establish signature expression patterns. A subset of these genes will be pursued in the future for elucidating pathogenesis of these two related inflammatory bowel diseases. 

Publications 

  1. Lawrance IC, Fiocchi C, Chakravarti S.  Gene expression profiling identifies distinctive disease signatures for ulcerative colitis and Crohn's disease. Hum Molec Genet. 2001 10:445-456.
  2. Lawrance IC, Wu F, Leite AZA, Willis J,West GA, Fiocchi C, Chakravarti S. A murine model of chronic inflammation-induced intestinal fibrosis down regulated by antisense NF-B. Gastroentérologie. 2003 125:1750-1761.
  3. Wu F, Dassopoulos T, Cope L, Brant SR, Harris M, Maitra M, Bayless TM, Parmigiani G,  Chakravarti S. Genome-wide gene expression differences between Crohn’s and ulcerative colitis from endoscopic pinch biopsies: insights into distinctive pathogenesis. Inflamm Bowel Diseases, 2007 13:807-821. PMID: 17262812.
  4. Wu F, Chakravarti S. Differential Expression of Inflammatory and Fibrogenic Genes and Their Regulation by NF-κB Inhibition in a Mouse Model of Chronic Colitis. J Immunol. 2007 179:6988-7000. PMID: 17982090
  5. Wu F, Zikusoka M, Trindade A, Dassopoulos T, Harris ML, Bayless TM, Brant SR, Chakravarti S, Kwon JH. MicroRNAs are Differentially Expressed and Alter Expression of Macrophage Inflammatory Peptide-2alpha. Gastroentérologie. 2008 Nov 135:1624-1635. PMID: 18835392.
  6. Lee S, Bowrin K, Hamad AR, Chakravarti S. Extracellular matrix lumican deposited on the surface of neutrophils promotes migration by binding to 2 integrin. J Biol Chem. 2009 284:23662-9. PMID: 19531489 PMCID: 2749141.
  7. Lohr, K, Sardana, H, Lee, S, Wu, F, Huso, DL, Hamad, AR, Chakravarti, S. Extracellular matrix protein lumican regulates inflammation in a mouse model of colitis. Inflamm Bowel Diseases, 2011 Apr 11. doi: 10.1002/ibd.21713. [Publication électronique avant impression]. PMID: 21484968 PubMed Central PMCID: 3135758.
  8. Shao H, Lee S, Gae-Scott S, Nakata C, Chen S, Hamad AR, Chakravarti S. Extracellular matrix lumican promotes bacterial phagocytosis and Lum-/- mice show increased Pseudomonas aeruginosa lung infection severity. J Biol Chem. 2012 Aug 3. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 22865855 PMCID: 3476255.

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Studying Macrophages in vivo

Challenges

Many challenges still exist when investigating macrophage biology, both in vitro et in vivo. The inconsistent findings from many of the studies discussed here can potentially be attributed to differences in cell lines, surface chemistries, time points analyzed, and other variables, but nonetheless emphasize the important fact that commonly used macrophage cell lines and primary cells exhibit differing responses to identical stimuli, often making in vitro findings difficult to compare. This is true for both murine (4, 102, 103) and human (104, 105) cell sources. Additionally, there are many differences between human and murine macrophage biology, from surface marker expression to metabolic states, that can result in stark differences in functional output (106�). Species specificity of macrophage cell types and the presence or absence of serum factors from humans vs. other species used in in vitro studies may also limit the applicability to human biology and therapeutic strategies. Thus, further studies are required to delineate murine and human macrophage responses, not only in mechanical studies.

Additional challenges exist when identifying the activation state of a macrophage, especially in vivo. Traditionally, phenotypes are identified using immunohistochemistry and transcriptional profiling, however these techniques require multiple markers to confirm an activation state and are most useful in in vitro ou ex vivo studies at end stage time points. There is a great need for techniques to identify phenotypes through protein expression in vivo. While the use of genetically encoded fluorescent proteins to readout macrophage activation is possible, the use of multiple markers to confirm macrophage identity and the unintended effects of introducing exogenous proteins limits feasibility. Another area of concern, particularly in studies investigating mechanical regulation of macrophages is the fact that macrophages respond differently to substrates in 2-D compared to 3-D. Currently, most studies are performed using 2-D methods to investigate migration and activation. There is a great need for more studies investigating macrophages in 3-D, especially in the context of cancer, as it is more representative of the environment macrophages naturally reside in. It is imperative to improve methods of investigating macrophages in their native environments so as to minimize variances that arise from culture and experimental conditions, and to best elucidate the impact of the ECM on macrophages.

Current Approaches

In order to observe macrophages in the tumor microenvironment, the field has recently turned to optical approaches such as positron emission tomography (PET), for example [reviewed extensively in (109)]. Rostam et al. have proposed image-based machine learning to identify phenotypes based on cellular morphology which, as described earlier, may provide some indication of phenotype (110). The availability of 3-D culture platforms to investigate macrophage–tumor cell interactions provide a tool kit to identify macrophage phenotype in more in vivo-like microenvironments (111�). Using these platforms, one can take advantage of pharmacologic and optogenetic approaches to manipulate adhesion receptor activation and downstream signaling pathways involved in macrophage responses to biophysical cues from the ECM (114�).

In addition to PET and single-photon emission computed tomography (SPECT) (109), another technique, intravital imaging, utilizes small implanted imaging windows paired with confocal or multiphoton microscopy to visualize the spatial organization of tumor and stromal cell populations (117, 118). Cell-type-specific expression of proteins that are genetically fused with fluorescent tags, such as GFP or mCherry, as well as the endogenously fluorescent metabolic cofactors FAD + and NADH (119) can be used to identify macrophage, tumor, and other cell types in the mouse (Figure 2). This technique has facilitated direct observation of macrophages interacting with and assisting tumor cells to intravasate into nearby vasculature, as well as tumor cell extravasation at distant metastatic sites (121, 122). While this approach provides detailed spatial and temporal resolution of cells in the TME, there is still a lack of validated signatures to fully identify and characterize macrophage phenotypes in vivo. One emerging signature of macrophage activation is the use of fluorescence lifetime. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) reports the time a fluorophore remains in the excited state before transitioning back to ground state, and differences in fluorescent lifetimes of NADH and FAD + can indicate whether the cofactors are free or protein bound. Changes in the relative concentrations of bound vs. free NADH and FAD + can provide information on metabolic states at the single cell level (123, 124). Within the TME, Szulczewski et al. demonstrated that stromal macrophages have a distinct NADH FLIM signature, allowing them to be distinguished from tumor cells (119). Along these lines, Alfonso-Garcia et al. show stark differences in the NADH fluorescence lifetime signatures in MLPS+IFNγ and MIL4+IL13 induced BMDMs in vitro (125), thus warranting further investigation into the use of FLIM to identify macrophage activation in vitro et in vivo. In addition to endogenous and genetically expressed fluorescence, ported mammary imaging windows that feature a needle inserted through the window base have been used to inject fluorescently conjugated antibodies. This methodology provides an opportunity for real-time visualization of the localization and relative abundance of cell type specific proteins, such as macrophage activation markers and integrins.

Figure 2. Intravital imaging of mammary carcinoma in a MMTV-PyMT mouse. 2-photon scanning laser microscopy allows for the in vivo observation of tumor cells (high in NADH intensity, 780 nm excitation), collagen fibers through second harmonic generation (890 nm excitation), and (UNE) Macrophages expressing the fluorescent mCherry protein under the CSF1-R promotor (C57BL/6-Tg(Csf1r-HBEGF/mCherry)1Mnz/J X B6.129P2-Lyz2 tm1(cre)Ifo /J) (120) (1050nm excitation). (B) FAD HI cells which depict primarily macrophage stromal cells (119). (C) NADH fluorescence lifetime overlay on mask of mCherry+ cells (color map of NADH τm lifetime). (RÉ) Insets depict mcherry + macrophages, which are FAD bright, spatially localized in the collagen rich stroma or within the tumor mass. Arrow indicates a macrophage spread in a collagen abundant region of the tumor stroma. Dashed outline depicts a macrophage elongated in an aligned region of collagen fibers at the boundary of a tumor nest.


Points clés

The bladder extracellular matrix (ECM) is in a dynamic conversation with its constituent cells through a variety of ECM receptors, which have crucial roles in proliferation, differentiation and homeostatic cell responses

The bladder ECM responds to strain injury or obstruction by increasing levels of matrix metalloproteinases, tissue inhibitors of metalloproteinases, collagen III, and many smaller components of the matrix

Alterations in ECM proteins can lead to changes in the stiffness of the matrix, which is a critical mediator of intracellular tension and cell behavior

Damaged matrix that results from bladder overdistention can cause long-lasting changes in smooth muscle cell behavior

Ascribing matrix changes to simple upregulation or downregulation of ECM gene expression neglects ECM alterations due to cross-linkages, proteolysis or glycosylation, which have a profound effect on distension and strength of the bladder wall


1.4 Conclusion

As addressed above, the ECM can regulate various fundamental cell functions. Thus, isolated ECM molecules have been utilized for medical, pharmaceutical, and tissue engineering applications. Today, there has been substantial progress in these fields. It is required to regulate cell functions more strongly and precisely, which increases the importance of the ECM. The ECM is composed of many components that regulate cell functions. The reconstitution of native ECM has been expected to strongly induce cell functions. Despite many efforts, it is difficult to reconstitute native ECM in vitro by conventional chemical and physical methods due to its compositional and structural complexity. Thus, the decellularization technique is attractive for reconstituting native ECM for various applications.

Additionally, researchers in ECM biology have concentrated on clarifying the effects of single ECM molecules on cell functions. For this purpose, substrates coated with single isolated ECM molecules, gene engineering techniques (knocked-in/knocked-out animals and cells), etc. have been used. 63,64 However, it is difficult to comprehensively understand the roles of ECM from these studies focusing on single ECM molecules. In vitro ECM models mimicking native ECM will be a powerful tool. dECM is expected to be a suitable in vitro ECM model for comprehensive studies of the roles of ECM. 65 In this book, examples of the use of dECM for medical, pharmaceutical, and tissue engineering applications will be addressed after the explanation of its preparation (Part II), characterization (Part III), and modification and fabrication (Part IV). Additionally, some examples of dECM for ECM biology research will be introduced in Part V and Part VI.


Voir la vidéo: How To Troubleshoot And Program A Cat ECM (Janvier 2023).