세포외기질

3. 세포 부착 단백질

인테그린이라고 알려진 특정 세포 표면 세포 부착 분자(CAM)는 세포-세포외기질 부착을 조절한다. 인테그린은 피브로넥틴 및 라미닌과 같은 세포외기질 구조와 다른 세포 표면의 인테그린 단백질에 세포를 결합시키는 세포 표면 단백질이다.

피브로넥틴은 세포외기질 거대분자에 결합하고 막관통 인테그린과의 결합을 촉진한다. 세포외 영역에 대한 피브로넥틴의 부착은 액틴과 같은 일련의 어댑터 분자를 통한 세포골격과의 연관성뿐만 아니라 세포 내 신호 전달 경로를 시작한다.^[8]

세포 부착은 두 가지 방식으로 일어날 수 있다. 하나는 세포외기질을 세포의 액틴 필라멘트에 연결하는 부착반이고, 다른 하나는 세포외기질을 케라틴과 같은 중간 필라멘트에 연결하는 반헤미데스모좀이다.

3. 1. 피브로넥틴

3. 2. 라미닌

4. 세포외기질의 생리적 기능

세포외기질(ECM)은 지지, 조직 분리, 세포 간 통신 조절 등 여러 기능을 수행하며, 세포의 역동적인 행동을 조절한다. 또한 다양한 세포 성장인자를 저장하고 국소 저장소 역할을 한다.^[7] 생리적 조건의 변화는 프로테아제 활성을 유발하여 이러한 저장소의 국소 방출을 일으킨다. 이를 통해 ''신생합성'' 없이 세포 기능의 신속한 국소 성장인자 매개 활성화가 가능합니다.

세포외기질 형성은 성장, 상처 치유, 섬유증과 같은 과정에 필수적이다. 세린 프로테아제, 트레오닌 프로테아제, 기질 금속단백질분해효소와 같은 효소에 의한 세포외기질 파괴는 암 생물학에서 종양 침윤 및 전이를 이해하는데 중요한 요소이다.^[7][28]

세포외기질의 강성과 탄성은 세포 이동, 유전자 발현,^[29] 및 분화에 중요한 영향을 미친다.^[30] 세포는 세포외기질의 강성을 적극적으로 감지하고 강성주성에서 더 단단한 표면으로 이동한다.^[31] 또한 탄성을 감지하고 유전자 발현을 조절하며, 이는 분화와 암 진행에 영향을 미쳐 연구가 활발히 진행되고 있다.^[32]

뇌에서 히알루론산은 주요 세포외기질 성분으로, 구조적 및 신호 전달 특성을 모두 나타낸다. 고분자량 히알루론산은 세포외 공간에서 확산을 조절하는 장벽 역할을 하며, 기질 분해 시 방출되는 히알루론산 조각은 염증성 분자로 작용하여 미세아교세포 등의 면역 세포 반응을 조율한다.^[33]

4. 1. 강성 및 탄성

4. 1. 1. 유전자 발현에 미치는 영향

4. 1. 2. 분화에 미치는 영향

4. 1. 3. 주향성

5. 세포외기질의 기능

세포외기질(ECM)은 지지, 조직 분리, 세포 간 통신 조절 등 여러 기능을 수행한다. 세포외기질은 세포의 역동적인 행동을 조절하며, 다양한 세포 성장인자를 저장하는 국소 저장소 역할을 한다.^[7] 생리적 조건 변화는 프로테아제 활성을 유발하여 이러한 저장소의 국소 방출을 일으키며, ''신생합성'' 없이 세포 기능의 신속한 국소 성장인자 매개 활성화를 가능하게 한다.

세포외기질 형성은 성장, 상처 치유, 섬유증 등에 필수적이다. 종양 침윤 및 전이는 종종 세린 프로테아제, 트레오닌 프로테아제, 기질 금속단백질분해효소 같은 효소에 의한 세포외기질 파괴를 포함하기 때문에, 세포외기질의 구조와 구성에 대한 이해는 암 생물학에서 중요한 의미를 갖는다.^[7][28]

세포외기질의 강성과 탄성은 세포 이동, 유전자 발현,^[29] 분화에 중요한 영향을 미친다.^[30] 세포는 세포외기질의 강성을 적극적으로 감지하고 강성주성 현상에서 더 단단한 표면으로 이동한다.^[31] 또한 탄성을 감지하고 그에 따라 유전자 발현을 조절하는데, 이는 분화와 암 진행에 미치는 영향으로 인해 점점 더 연구 대상이 되고 있다.^[32]

세포는 힘을 가하고 그 결과로 나타나는 반발력을 측정하여 주변 환경의 기계적 특성을 감지한다.^[21] 이는 세포 수축,^[22] 세포 이동,^[31] 세포 증식,^[23] 분화,^[30] 세포 사멸(아포토시스)^[24] 등 많은 세포 과정을 조절하는 데 중요하다. 비근육 미오신 II 억제는 이러한 효과의 대부분을 차단하여,^[30][31][22] 세포외기질의 기계적 특성 감지와 관련이 있음을 나타낸다.

세포외기질의 다양한 기계적 특성은 세포 행동과 유전자 발현에 영향을 미친다.^[25] 이 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 반부착반 같은 부착 복합체와 수축력이 세포간 구조를 통해 전달되는 액틴-미오신 세포골격이 중요한 역할을 하는 것으로 보인다.^[22]

뇌에서 히알루론산은 주요 세포외기질 성분이며, 기질은 구조적 및 신호 전달 특성을 모두 나타낸다. 고분자량 히알루론산은 세포외 공간에서 국소적으로 확산을 조절하는 확산 장벽 역할을 한다. 기질 분해 시 히알루론산 조각은 세포외 공간으로 방출되어 염증성 분자로 작용, 미세아교세포 등 면역 세포 반응을 조율한다.^[33]

5. 1. 세포 부착

6. 세포외기질의 임상적 의의

섬유아세포는 결합 조직 ECM에서 가장 흔한 세포 유형이며, 세포외기질을 합성하고 유지하며 구조적 틀을 제공한다. 섬유아세포는 기질을 포함한 ECM의 전구체 성분을 분비한다. 연골세포는 연골에서 발견되며 연골 기질을 생성한다. 골아세포는 뼈 형성을 담당한다.^[20][34]

세포외기질은 조직의 재생과 치유를 유발하는 것으로 밝혀졌다. 세포외기질이 조직의 재구성을 촉진하는 작용 메커니즘은 아직 알려지지 않았지만, 연구원들은 기질 결합 나노소포(MBV)가 치유 과정에서 핵심적인 역할을 한다고 생각한다. 예를 들어, 인간 태아의 경우 세포외기질은 줄기세포와 함께 인체의 모든 부분을 성장시키고 재생시키며, 태아는 자궁 내에서 손상된 부분을 재생할 수 있다. 과학자들은 오랫동안 세포외기질이 완전한 발달 후에는 기능을 멈춘다고 믿어왔다. 과거에는 말의 찢어진 인대 치유에 사용되었지만, 현재는 인간 조직 재생 장치로서 추가 연구가 진행되고 있다.^[35]

손상 복구 및 조직공학 측면에서 세포외기질은 두 가지 주요 목적을 수행한다. 첫째, 손상으로 인한 면역 체계의 활성화를 방지하여 염증 및 흉터 조직 형성을 억제한다. 둘째, 주변 세포가 흉터 조직을 형성하는 대신 조직을 복구하도록 촉진한다.^[35]

의료 응용의 경우, 필요한 세포외기질은 일반적으로 돼지 방광에서 추출되는데, 이는 쉽게 구할 수 있고 상대적으로 사용되지 않는 원천이다. 현재는 위벽 조직의 구멍을 막아 궤양을 치료하는 데 정기적으로 사용되고 있지만, 많은 대학과 미국 정부에서 부상당한 군인을 위한 응용 분야에 대한 추가 연구가 진행 중이다. 2007년 초에는 텍사스의 한 군 기지에서 테스트가 수행되었다. 과학자들은 이라크 전쟁에서 손이 손상된 참전 용사들에게 분말 형태의 세포외기질을 사용하고 있다.^[36]

모든 세포외기질 장치가 방광에서 유래하는 것은 아니다. 돼지 소장 점막하층에서 유래한 세포외기질은 "심방 중격 결손"(ASD), "난원공 개존"(PFO) 및 서혜부 탈장 수술에 사용되고 있다. 1년 후, 이 패치의 콜라겐 세포외기질의 95%는 심장의 정상적인 연조직으로 대체된다.^[37]

세포외기질 단백질은 세포 배양 중 줄기세포와 전구세포를 미분화 상태로 유지하고, 시험관 내 상피세포, 내피세포 및 평활근 세포의 분화를 유도하기 위해 세포 배양 시스템에서 일반적으로 사용된다. 세포외기질 단백질은 또한 종양 발달 모델링을 위해 시험관 내 3차원 세포 배양을 지원하는 데 사용될 수 있다.^[38]

인간 또는 동물 조직을 처리하여 세포외기질의 일부를 유지하도록 만든 생체 재료의 한 종류를 세포외기질 생체재료라고 한다.

7. 식물, 다형류, 필로조아에서의 세포외기질

세포외기질의 구성 요소는 세포 내에서 상주 세포에 의해 생성되고 세포외유출을 통해 세포외기질로 분비되며,^[11] 분비된 후에는 기존 기질과 응집된다. 세포외기질은 섬유성 단백질과 글리코사미노글리칸(GAGs)의 상호연결된 그물로 구성된다.

세포외기질의 중요성은 오랫동안 인지되어 왔지만(Lewis, 1922), 이 용어의 사용은 비교적 최근의 일이다(Gospodarowicz 외, 1979).^{[40][41][42][43]}

다세포 생물( 동물, 식물)의 경우, 세포 외 공간을 채우는 물질이면서 동시에 물리적 지지체 역할(예: 동물의 연골이나 뼈) 및 세포-기질 부착에서 발판 역할(예: 콜라겐이나 피브로넥틴)을 한다. 척추동물과 무척추동물 모두 세포외기질을 가지며, 인간을 포함한 척추동물에서 두드러진 성분은 콜라겐이다. 그 외에 프로테오글리칸, 피브로넥틴, 라미닌과 같은 당단백질(일부는 세포 부착 분자)이 있다.

간질에는 I형 콜라겐, 프로테오글리칸(버시칸, 데코린 등), 피브로넥틴 등이 현저하다. 연골을 만드는 세포외기질의 주요 성분은 II형 콜라겐, 프로테오글리칸(아글리칸), 히알루론산, 링커 단백질 등이다. 기저막에는 IV형 콜라겐, 헤파란 황산 프로테오글리칸(펄칸 등), 라미닌, 엔탁틴 등이 존재한다. 뇌의 주요 세포외기질 성분은 콘드로이틴 황산 프로테오글리칸, 히알루론산, 테네신 등의 당단백질이다.

절지동물(곤충)이나 선충과 같은 동물에도 유사한 성분이 발견되지만, 척추동물의 것과는 구조나 성분에 약간의 차이가 있다. 갑각류를 포함한 절지동물의 세포외기질에서 두드러진 것은 키틴이다. 세포외기질은 해면동물이나 볼복스와 같은 단순한 다세포 생물에도 존재한다.

7. 1. 식물

7. 2. 다형류와 필로조아

8. 세포외기질 관련 질병

세포외기질(ECM)은 부드러운 뇌 조직부터 단단한 뼈 조직까지 다양한 정도의 강성과 탄성을 가질 수 있다. 세포외기질의 탄성은 여러 차수의 크기만큼 다를 수 있다. 이러한 특성은 주로 콜라겐과 엘라스틴 농도에 의존하며,^[4] 최근에는 수많은 세포 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다.

세포는 힘을 가하고 그 결과로 나타나는 반발력을 측정하여 주변 환경의 기계적 특성을 감지할 수 있다.^[21] 이것은 세포 수축,^[22] 세포 이동,^[31] 세포 증식,^[23] 분화^[30] 및 세포 사멸(아포토시스)^[24]을 포함한 많은 중요한 세포 과정을 조절하는 데 중요한 역할을 한다.

비근육 미오신 II의 억제는 이러한 효과의 대부분을 차단하며,^[30][31][22] 이는 실제로 세포외기질의 기계적 특성을 감지하는 것과 관련이 있음을 나타낸다. 이는 지난 10년 동안 연구의 새로운 초점이 되었다.

9. 마트릭스 공학

세포외기질은 조직의 재생과 치유를 유발하는 것으로 밝혀졌다. 세포외기질이 조직 재구성을 촉진하는 정확한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 기질 결합 나노소포(MBV)가 이 과정에서 중요한 역할을 한다는 연구 결과가 있다.^[20][34] 인간 태아의 경우 세포외기질은 줄기세포와 함께 신체 모든 부분을 성장시키고 재생시키며, 자궁 내에서 손상된 부분을 흉터 없이 재생할 수 있다. 과거에는 말의 찢어진 인대 치료에 사용되었지만, 현재는 인간 조직 재생 장치로서 더 많은 연구가 진행되고 있다.^[35]

손상 복구 및 조직공학 측면에서 세포외기질은 두 가지 중요한 역할을 한다. 첫째, 손상으로 인한 면역 체계 활성화를 억제하여 염증 및 흉터 조직 형성을 막는다. 둘째, 주변 세포가 흉터 조직을 형성하는 대신 조직을 복구하도록 돕는다.^[35]

의료 분야에서는 돼지 방광에서 추출한 세포외기질이 주로 사용되는데, 이는 쉽게 구할 수 있고 비교적 활용도가 낮은 자원이기 때문이다. 현재 위벽 조직의 구멍을 막아 위궤양을 치료하는 데 사용되고 있으며, 많은 대학과 미국 정부에서 부상당한 군인을 위한 응용 연구를 진행하고 있다. 2007년 초에는 텍사스의 한 군 기지에서 이라크 전쟁에서 손이 손상된 참전 용사들에게 분말 형태의 세포외기질을 사용하는 실험이 진행되었다.^[36]

모든 세포외기질 장치가 방광에서 유래하는 것은 아니다. 돼지 소장 점막하층에서 유래한 세포외기질은 "심방 중격 결손"(ASD), "난원공 개존"(PFO) 및 서혜부 탈장 수술에 사용되고 있다. 1년 후, 이 패치의 콜라겐 세포외기질의 95%는 심장의 정상적인 연조직으로 대체된다.^[37]

세포외기질 단백질은 세포 배양 중 줄기세포와 전구세포를 미분화 상태로 유지하고, 시험관 내 상피세포, 내피세포 및 평활근 세포의 분화를 유도하기 위해 세포 배양 시스템에서 널리 사용된다. 또한, 종양 발달 모델링을 위해 시험관 내 3차원 세포 배양을 지원하는 데에도 활용될 수 있다.^[38]

세포외기질 생체재료는 인간 또는 동물 조직을 처리하여 세포외기질의 일부를 보존하도록 만든 생체 재료의 한 종류이다.

마트릭스 공학은 세포외기질의 세포 부착 활성을 인위적으로 조절하여 조직 및 세포의 기능을 제어하려는 시도로, 1980년대에 제안되었다.

세포외기질 성분 또는 그 복합체는 세포 배양 등에 사용되고 있으며, 의료 분야에서도 활발히 응용되고 있다. 특히 돼지의 방광에서 추출한 세포외기질은 미국에서 실용화가 진행되고 있으며, 인간에게서도 사고로 절단된 손가락 끝을 재생하는 데 성공했다고 한다.

10. 세포외기질의 분해

배아 발생 과정이나 암세포가 침윤 및 전이될 때, 세포외기질이 특수한 분해효소에 의해 분해됨으로써 세포의 이동이 조절된다고 여겨진다.

참조

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