डुरोटैक्सिस

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डुरोटैक्सिस सेल माइग्रेशन का एक रूप है जिसमें कोशिकाओं को कठोरता ग्रेडियेंट द्वारा निर्देशित किया जाता है, जो बाह्य आव्यूह (ईसीएम) के अंतर संरचनात्मक गुणों से उत्पन्न होता है। अधिकांश सामान्य कोशिकाएं कठोरता प्रवणताओं (अधिक कठोरता की दिशा में) की ओर पलायन करती हैं।[1]

ड्यूरोटैक्सिस अनुसंधान का इतिहास

ड्यूरोटैक्सिस की प्रक्रिया के लिए पर्यावरण को सक्रिय रूप से समझने, यांत्रिक उत्तेजना को संसाधित करने और प्रतिक्रिया निष्पादित करने के लिए एक सेल की आवश्यकता होती है। मूल रूप से, यह एक आकस्मिक मेटाज़ोआ संपत्ति माना जाता था, क्योंकि इस घटना के लिए एक जटिल संवेदी पाश की आवश्यकता होती है जो कई अलग-अलग कोशिकाओं के संचार पर निर्भर होती है। चूँकि, 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक के समय प्रासंगिक वैज्ञानिक साहित्य की संपत्ति में वृद्धि हुई, यह स्पष्ट हो गया कि एकल कोशिकाओं में ऐसा करने की क्षमता होती है। पृथक कोशिकाओं में डुरोटैक्सिस की पहली टिप्पणियों में यह था कि यांत्रिक उत्तेजना चूजों के संवेदी और मस्तिष्क न्यूरॉन में अक्षतंतु की दीक्षा और बढ़ाव का कारण बन सकती है और पहले से स्थिर मछली एपिडर्मल केराटोसाइट्स में गतिशीलता को प्रेरित कर सकती है।[2][3][4][5] ईसीएम कठोरता को साइटोस्केलेटन कठोरता, फ़ाइब्रोनेक्टिन फाइब्रिल असेंबली, इंटीगिन-साइटोस्केलेटल इंटरैक्शन की ताकत आकृति विज्ञान और गतिशीलता दर को प्रभावित करने के लिए भी नोट किया गया था, जो सभी प्रभाव सेल माइग्रेशन के रूप में जाने जाते थे।[6][7][8][9][10]

पिछली टिप्पणियों से मिली जानकारी के साथ, लो और उनके सहयोगियों ने परिकल्पना तैयार की कि व्यक्तिगत कोशिकाएं सक्रिय स्पर्श अन्वेषण की एक प्रक्रिया द्वारा सब्सट्रेट (जीव विज्ञान) की कठोरता का पता लगा सकती हैं जिसमें कोशिकाएं सिकुड़ने वाली ताकतों को प्रयुक्त करती हैं और सब्सट्रेट में परिणामी विरूपण को मापती हैं। अपने स्वयं के प्रयोगों द्वारा समर्थित, इस टीम ने वर्ष 2000 में बायोफिजिकल जर्नल में अपने पेपर में डूरोटैक्सिस शब्द गढ़ा है ।[11][12]


सब्सट्रेट कठोरता

ईसीएम की कठोरता सेल प्रकारों में अधिक भिन्न होती है; उदाहरण के लिए, यह मस्तिष्क के ऊतक के नरम ईसीएम से लेकर कठोर हड्डी या पौधों की कोशिकाओं की कठोर कोशिका भित्ति तक होता है। कठोरता में यह अंतर ईसीएम के गुणात्मक और मात्रात्मक जैव रासायनिक गुणों या दूसरे शब्दों में ईसीएम मेशवर्क बनाने वाले विभिन्न मैक्रोमोलेक्यूल्स की एकाग्रता और श्रेणियों का परिणाम है। चूँकि ईसीएम कई इंट्रासेल्युलर-संश्लेषित घटकों से बना है - जिसमें कई ग्लाइकोसअमिनोग्लाइकन्स (गैग्स) और फाइब्रोनेक्टिन, लेमिनिन, कोलेजन और इलास्टिन जैसे रेशेदार प्रोटीन सम्मिलित हैं - यह बाद के दो फाइबर हैं जो ईसीएम के यांत्रिक गुणों को परिभाषित करने में सबसे प्रभावशाली हैं। .

कोलेजन रेशेदार प्रोटीन है जो ईसीएम को इसकी तन्य शक्ति, या कठोरता प्रदान करता है। इलास्टिन - जैसा कि इसके नाम से पता चलता है - ऊतकों में एक महत्वपूर्ण भूमिका के साथ एक अत्यधिक लोचदार प्रोटीन है, जिसे विरूपण के बाद अपनी मूल स्थिति में लौटने की आवश्यकता होती है, जैसे कि त्वचा, रक्त वाहिकाएं और फेफड़े इन दो मुख्य निर्धारकों की सापेक्ष सांद्रता, अन्य कम प्रभावशाली आव्यूह घटकों के साथ, ईसीएम की कठोरता निर्धारित करती है।[13] उदाहरण के लिए, कोलेजन एकाग्रता को विवो और कृत्रिम परिवेशीय (जैल) दोनों में आव्यूह कठोरता से सहसंबद्ध बताया गया है।[14][15]

कठोरता मापना

जैविक अनुसंधान में, कठोरता (या कठोरता) को सामान्यतः पास्कल (ईकाई ) में यंग के लोच के मापांक, अक्ष के साथ तनाव के अनुपात का उपयोग करके मापा जाता है। इस प्रकार, एक उच्च यंग मापांक वाला पदार्थ बहुत कठोर होता है।[16] एक ऊतक के यंग के मापांक को मापने के लिए सबसे स्पष्ट और अच्छी तरह से स्थापित विधि उपकरणों पर निर्भर करती है - जैसे इंस्ट्रॉन लोड सेल उपकरण - जो सीधे यांत्रिक भार प्रयुक्त करती है और परिणामी विरूपण को मापती है। अब, विभिन्न प्रकार की इलास्टोग्राफी विधि का उपयोग किए बिना एक ऊतक के यंग के मापांक का आसानी से और स्पष्ट अनुमान लगाया जा सकता है। ये विधियां ऊतक में विरूपण उत्पन्न करती हैं और सामान्यतः मेडिकल अल्ट्रासोनोग्राफी या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के साथ यांत्रिक गुणों को मापती हैं।[17]

मानव शरीर में कई ऊतकों के यांत्रिक गुणों की विशेषता के लिए यंग के मापांक का बार-बार उपयोग किया गया है। जानवरों के ऊतकों की कठोरता परिमाण के कई क्रमों में भिन्न होती है, उदाहरण के लिए:

  • बोवाइन आर्टिकुलर कार्टिलेज - 950 केपीए [18]
  • माउस कंकाल की मांसपेशी - 12 केपीए [19]
  • गिनी पिग फेफड़े - 5-6 केपीए [20]
  • मानव फाइब्रोटिक लीवर - 1.6 kPa, स्वस्थ मानव लीवर 640 पीए[21]

स्वाइन ब्रेन - 260-490 पीए[22]


अलग-अलग कठोरता का संश्लेषण करना

अलग-अलग कठोरता के मेट्रिसेस सामान्यतः प्रायोगिक और चिकित्सीय उद्देश्यों के लिए इंजीनियर होते हैं (उदाहरण के लिए घाव भरने के लिए कोलेजन मेट्रिसेस)[23]). डूरोटैक्टिक ग्रेडियेंट केवल बहुलक से 2-आयामी सबस्ट्रेट्स बनाकर बनाए जाते हैं (उदाहरण के लिए एक्रिलामाइड[12] या पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन) जिसमें कठोरता को क्रॉस-लिंकिंग घनत्व द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो बदले में क्रॉस-लिंकर एकाग्रता द्वारा नियंत्रित होता है। बहुलक को ऐसी पदार्थ से लेपित किया जाना चाहिए जिसका कोशिका पालन कर सके जैसे कोलेजन या फाइब्रोनेक्टिन ग्रैडिएंट स्वयं को अधिकांशतः हाइड्रोजेल के रूप में संश्लेषित किया जाता है, जिसके बाद माइक्रोफ्लुइडिक्स ग्रैडिएंट जनरेटर का उपयोग किया जाता है, जिसके बाद फोटोपॉलीमराइजेशन होता है।[24]

इस विधि के लिए एक उन्नति 3डी मेट्रिसेस का उपयोग है, जो सेल माइग्रेशन को उन स्थितियों में निर्देशित करने में सक्षम हैं जो सेल के प्राकृतिक त्रि-आयामी वातावरण से अधिक संबंधित हैं।[25]

बाह्य आव्यूह के साथ सेलुलर संपर्क की साइट फोकल आसंजन है, एक बड़ा, गतिशील प्रोटीन कॉम्प्लेक्स है जो साइटोस्केलेटन को इंटरेक्टिंग प्रोटीन की कई संगठित परतों के माध्यम से ईसीएम फाइबर से जोड़ता है। इंटीग्रिन सबसे बाहरी प्रोटीन हैं और जो सीधे ईसीएम लिगेंड से जुड़ते हैं। चूँकि, फोकल आसंजन साधारण एंकरों की तुलना में अधिक अधिक हैं - संकेतन में उनके प्रोटीन की कई भूमिकाएँ हैं। ये प्रोटीन, जैसे कि फोकल आसंजन किनेज (फक), चर्बी प्रोटीन, विनकुलिन, पैक्सिलिन और α-एक्टिनिन, छोटे जीटीपीसेस (जीटीपीसेस के आरएचओ वर्ग , आरएसी (जीटीपीएएस), सीडीसी42) और अन्य संकेतन रास्ते के साथ परस्पर क्रिया करते हैं जिससे रिले भी हो सके आव्यूह कठोरता में छोटे परिवर्तन और फलस्वरूप कोशिका आकार एक्टोमोसिन संकुचनशीलता और साइटोस्केलेटल संगठन में परिवर्तन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। नतीजतन, ये परिवर्तन दिशात्मक प्रवासन को सुविधाजनक बनाने के लिए सेल को अपने साइटोस्केलेटन को पुनर्व्यवस्थित करने का कारण बन सकते हैं।[26][27]

एक सेल का साइटोस्केलेटन पॉलिमर का लगातार उतार-चढ़ाव वाला नेटवर्क है जिसका संगठन सेल के भौतिक वातावरण पर बहुत निर्भर करता है। फोकल आसंजनों पर, एक कोशिका एक कर्षण बल लगाती है। दूसरे शब्दों में, यह ईसीएम को खींचता है। इस प्रकार, सेल अपने फोकल आसंजनों में ईसीएम कठोरता और साइटोस्केलेटल तनाव के बीच एक यांत्रिक होमोस्टैसिस बनाए रखता है। यह होमियोस्टैसिस गतिशील है, क्योंकि फोकल आसंजन परिसरों का लगातार निर्माण, रीमॉडेलिंग और डिसैम्बल्ड किया जाता है। इससे संकेत ट्रांसडक्शन और डाउनस्ट्रीम सेलुलर प्रतिक्रियाओं में परिवर्तन होता है।[28] सेल संकेतन ईसीएम के भौतिक और जैव रासायनिक दोनों गुणों का एक उत्पाद है और सेलुलर प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए इन दो मार्गों के बीच परस्पर क्रिया महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, हड्डी मोर्फोजेनेटिक प्रोटीन (बीएमपी) - एक वृद्धि कारक - अपर्याप्त साइटोस्केलेटल तनाव के तहत ओस्टोजेनेसिस को प्रेरित करने में असमर्थ है।[29]

साइटोस्केलेटल ट्रैक्शन का स्रोत एक्टोमीसिन संकुचनशीलता है। बढ़ी हुई बाहरी कठोरता एक संकेत ट्रांसडक्शन कैस्केड की ओर ले जाती है जो जीटीपीसेस और आरएचओ से जुड़े किनेज (रॉक) के छोटे जीटीपीएएस आरएचओ वर्ग को सक्रिय करती है। रॉक, बदले में, मायोसिन लाइट चेन फॉस्फोराइलेशन को नियंत्रित करता है, एक ऐसी घटना जो मायोसिन एटीपीसे गतिविधि को ट्रिगर करती है और एक्टिन फाइबर को छोटा करती है, जिससे ईसीएम पर संकुचन और खिंचाव होता है।[30] चूँकि स्पष्ट मार्ग जो ईसीएम कठोरता को रॉक गतिविधि से जोड़ता है, अज्ञात है, बढ़ी हुई ईसीएम कठोरता के उत्तर में बढ़े हुए कर्षण का अवलोकन ड्यूरोटैक्सिस की घटना को समझाने के लिए पर्याप्त है। शसक्त यांत्रिक प्रतिक्रिया कोशिका को कठोर क्षेत्र की ओर खींचती है और दिशात्मक आंदोलन में पूर्वाग्रह उत्पन्न करती है और साइटोस्केलेटल और फोकल आसंजन संगठन पर अन्य परिणाम होते हैं।

नतीजतन, ड्यूरोटैक्सिस को कठोरता मैकेनोसेंसिंग नामक प्रक्रिया में स्थान और समय पर ईसीएम कठोरता के निरंतर नमूने पर भरोसा करना चाहिए।[31] हाल के शोध से पता चला है कि अपरिवर्तनीय ईसीएम कठोरता के उत्तर में व्यक्तिगत फोकल आसंजन आवश्यक रूप से स्थिर कर्षण बलों को प्रयुक्त नहीं करते हैं। वास्तव में, जबकि कुछ अलग-अलग फोकल आसंजन स्थिर कर्षण बलों को प्रदर्शित कर सकते हैं, अन्य लोग टगिंग और रिलीज के दोहराए गए चक्र के विधि से टगिंग ट्रैक्शन प्रदर्शित करते हैं। फोकल आसंजनों के गुण - चाहे स्थिर हों या खींचे जा रहे हों - अपने पड़ोसियों से स्वतंत्र होते हैं और इस तरह, प्रत्येक फोकल आसंजन स्वायत्त रूप से कार्य करता है। यह टगिंग ट्रैक्शन सेल माइग्रेशन के अन्य रूपों, जैसे कि कीमोटैक्सिस और हैप्टोटैक्सी के लिए प्रयोज्य दिखाया गया है, किंतु ड्यूरोटैक्सिस के लिए आवश्यक है। फोकल आसंजन प्रोटीन (एफएके/पैक्सिलिन/विनकुलिन) - और उनके फॉस्फोराइलेशन-निर्भर इंटरैक्शन के साथ-साथ सेल के अंदर उनका विषम वितरण (जिससे याप सक्रियण और कठोरता सक्रिय पी एफएके के माध्यम से परमाणु अनुवाद)[32] - ईसीएम कठोरता की एक विस्तृत श्रृंखला में उच्च कर्षण और टगिंग कर्षण को प्रदर्शित करने के लिए आवश्यक हैं। इसके अतिरिक्त , नरम ईसीएम में कोशिकाओं को स्थानांतरित करके या रॉक को रोककर फोकल आसंजन तनाव में कमी से फोकल आसंजन स्थिर से टगिंग अवस्थाओ में बदल जाता है। इस प्रकार, कठोरता मैकेनोसेंसिंग एक सेल को एक सेल के अंदर फोकल आसंजन (≈1-5μm) रिक्ति के संकल्प पर आव्यूह कठोरता का नमूना लेने की अनुमति देता है [1]

जैव रासायनिक और यांत्रिक संकेतों के एकीकरण से सेल माइग्रेशन को ठीक करने की अनुमति मिल सकती है। चूँकि, ड्यूरोटैक्सिस के पीछे शारीरिक तर्क - और विशेष रूप से कठोरता ग्रेडियेंट को स्थानांतरित करने के लिए कोशिकाओं की प्रवृत्ति - अज्ञात है।

कर्षण मापना

कर्षण बलों को मापने के लिए सबसे प्रचलित और स्पष्ट आधुनिक विधि जो कोशिकाएं सब्सट्रेट पर डालती हैं, कर्षण बल माइक्रोस्कोपी (टीएफएम) पर निर्भर करती हैं। इस पद्धति के पीछे सिद्धांत आव्यूह में एम्बेडेड फ्लोरोसेंट मोती के 2-आयामी विस्थापन की गणना करके सब्सट्रेट में विरूपण को मापना है। उच्च-समाधान टीएफएम ~ 1 सुक्ष्ममापी के स्थानिक समाधान पर बहुत छोटी संरचनाओं, जैसे फोकल आसंजनों पर कर्षण बलों के विश्लेषण की अनुमति देता है।[33]


नैदानिक ​​महत्व

शारीरिक स्थितियों के तहत ड्यूरोटैक्सिस की भूमिका अज्ञात रहती है। यह बाह्य जैव रासायनिक संकेतों के लिए एक सेल के आंदोलन की प्रतिक्रिया को ठीक करने में एक उद्देश्य की सेवा कर सकता है, चूँकि शारीरिक वातावरण में ड्यूरोटैक्सिस का सापेक्ष योगदान जहां एक सेल अन्य करों (जैसे केमोटैक्सिस) के अधीन है, अज्ञात है, और वास्तव में सिद्ध हो सकता है वीवो में सेल माइग्रेशन के लिए पूरी तरह से अनुपयोगी होना इस घटना की कई रोग अवस्थाओं में भी भूमिका हो सकती है जिसमें ऊतकों का सख्त होना सम्मिलित है, जैसा कि नीचे बताया गया है।

कर्क

यह एक सामान्य अवलोकन है कि ट्यूमर आसपास के ऊतकों की तुलना में सख्त होते हैं, और यहां तक ​​कि स्तन कैंसर की स्व-परीक्षा के लिए आधार के रूप में कार्य करते हैं। वास्तव में, स्तन कैंसर के ऊतक को सामान्य ऊतक की तुलना में दस गुना अधिक सख्त बताया गया है। इसके अतिरिक्त, एक बढ़ते और मेटास्टेसाइजिंग ट्यूमर में फाइब्रोब्लास्ट और एंडोथेलियल कोशिकाओं जैसे कई अलग-अलग प्रकार के सेल का सहयोग सम्मिलित होता है, जिसमें अलग-अलग कठोरता होती है और इसके परिणामस्वरूप स्थानीय कठोरता ग्रेडिएंट हो सकते हैं जो सेल माइग्रेशन को निर्देशित करते हैं।[34] इस बात के प्रमाण बढ़ रहे हैं कि ड्यूरोटैक्सिस कैंसर रूप-परिवर्तन में एक भूमिका निभाता है। चूहों में किए गए प्रयोगों से पता चला है कि ट्यूमर कोशिकाएं कठोर कोलेजन फाइबर के साथ आसन्न स्ट्रोमा (पशु ऊतक) में अधिमानतः आक्रमण करती हैं।[35] इन कठोर कोलेजन संरेखण का उपयोग स्तन ट्यूमर सेल सूक्ष्म आक्रमण की फोकल साइटों की पहचान करने के लिए किया जा सकता है।[36] गर्भावस्था, जिसमें स्तन कैंसर की घटना और पूर्वानुमान के विभिन्न लिंक हैं, में प्रसवोत्तर स्तन सम्मिलित है जो कोलेजन रीमॉडेलिंग और सूजन पर निर्भर करता है जो इन कोलेजन फाइबर को कठोर समकक्षों में परिवर्तित करता है, इस प्रकार गर्भावस्था और मेटास्टैटिक गुणों के बीच एक संभावित लिंक स्थापित करता है।[37] चूँकि कुछ शोध से पता चलता है कि कठोर ट्यूमर बढ़े हुए मेटास्टेसिस और घटे हुए अस्तित्व के संकेत हैं (जो इस अवधारणा का खंडन करते हैं कि ड्यूरोटैक्टिक कोशिकाओं को ट्यूमर की ओर अधिक आकर्षित होना चाहिए और कम मेटास्टेसाइज करना चाहिए), यह सहज नहीं है क्योंकि कोलेजन-निर्भर इंटीग्रिन संकेतन की एक विस्तृत श्रृंखला है डुरोटैक्सिस से परे परिणाम, जिसमें एमआईआरएनए एमआईआर-18a के अपग्रेडेशन के माध्यम से ट्यूमर दबाने वाला पीटीईएन (जीन) का निषेध सम्मिलित है।[38] इसके अतिरिक्त, इस बात के प्रमाण हैं कि बढ़ी हुई ट्यूमर की कठोरता वास्तव में घटी हुई मेटास्टेसिस के साथ सहसंबंधित होती है, जैसा कि ड्यूरोटैक्सिस के सिद्धांत से पता चलता है।[14]


लीवर फाइब्रोसिस

लिवर फाइब्रोसिस ईसीएम प्रोटीन का संचय है, जैसे कोलेजन, जो कई पुराने यकृत रोगों में होता है।[39] बढ़ी हुई यकृत कठोरता (वर्तमान कोलेजन की) वास्तव में फाइब्रोसिस से पहले और फाइब्रोजेनिक मायोफिब्रोब्लास्ट के सक्रियण के लिए आवश्यक होने के लिए दिखाया गया है।[40] फाइब्रोब्लास्ट ड्यूरोटैक्सिस के माध्यम से कठोर ऊतक की ओर बढ़ते हैं,[32] और उस तक पहुंचने पर, फाइब्रोजेनिक मायोफिब्रोब्लास्ट्स में अंतर करेगा।[41] ड्यूरोटैक्सिस-आश्रित फाइब्रोसिस का यह अनैतिक सकारात्मक प्रतिक्रिया पाश संभवतः यकृत फाइब्रोसिस की रोकथाम के लिए एक चिकित्सीय लक्ष्य हो सकता है।

एथेरोस्क्लेरोसिस

एथेरोस्क्लेरोटिक पट्टिका के गठन का आरेख। नीली संवहनी चिकनी मांसपेशियों की कोशिकाओं पर ध्यान दें, जो ट्यूनिका मीडिया से ट्यूनिका इंटिमा में स्थानांतरित होती हैं, जहां कठोर पट्टिका बन रही है।

एथेरोस्क्लेरोसिस की विकृति अधिक सीमा तक संवहनी चिकनी मांसपेशियों की कोशिकाओं (वीएसएमसी) के रक्त वाहिका की अंतरंग अंगरखा परत में प्रवास पर निर्भर करती है, जहां वे लिपिड जमा कर सकते हैं, नेक्रोसिस से गुजर सकते हैं और ईसीएम (फाइब्रोसिस) को विस्तृत कर सकते हैं।[42] इन कोशिकाओं के प्रवास को कठोरता-निर्भर होने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है, और आव्यूह की कठोरता विकास कारकों के उत्तर में उनके प्रसार को प्रभावित करती है।[43][44]


गणितीय मॉडल

ड्यूरोटैक्सिस का वर्णन करने के लिए कई गणितीय मॉडल का उपयोग किया गया है, जिनमें सम्मिलित हैं:

  • लैंग्विन समीकरण पर आधारित एक द्वि-आयामी मॉडल, आव्यूह के स्थानीय यांत्रिक गुणों को सम्मिलित करने के लिए संशोधित है।[45]
  • एक मॉडल एक लोचदार स्थिरता घटना के रूप में ड्यूरोटैक्सिस के विवरण पर आधारित है, जहां साइटोस्केलेटन को प्रीस्ट्रेस्ड इलास्टिक लाइन तत्वों की एक प्लेनर प्रणाली के रूप में तैयार किया जाता है जो एक्टिन तनाव फाइबर का प्रतिनिधित्व करते हैं।[46]
  • एक मॉडल जहां कठोर मध्यस्थ दृढ़ता फोकर-प्लैंक समीकरण का रूप है।[47]
  • एक मॉडल जहां कठोर मध्यस्थ दृढ़ता डुरोटैक्सिस को प्रभावित करती है।[48]


यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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