Evidensbaserad praktik inom rehabilitering efter stroke i Danmark

Extracellulär matrix

Anna-Karin Larsson-Callerfelt | Sept 2018 | Lungmedicin | Primärvård |

Anna-Karin Larsson-Callerfelt
Avdelningen för lungbiologi,
Institutionen för experimentell medicinsk vetenskap,
Medicinska fakulteten,
Lunds universitet

Gunilla Westergren-Thorsson,
Avdelningen för lungbiologi,
Institutionen för experimentell
medicinsk vetenskap,
Medicinska fakulteten,
Lunds universitet

Extracellulär matrix (ECM) är byggstenarna i lungan som ger strukturell support och stabilitet. Tidigare har ECM enbart setts som en passiv stödjevävnad, men dagens forskning visar att ECM utgör en biodynamisk miljö som dirigerar cellulära händelser i sin omgivning.1,2 Förändringar i ECM förekommer tidigt i progressen av lungsjukdom varför mer forskning behövs för att utveckla riktade terapier mot ECM-förändringar vid kronisk lungsjukdom.

Uppbyggnaden av ECM i lungan
ECM är organiserat i två huvudsakliga former: basalmembran vid epitel och endotel samt interstitiella nätverk som består av fibrösa proteiner, polysackarider och matrixcellulära proteiner som ger strukturellt stöd för celler samt bibehåller lungans tredimensionella struktur och biomekaniska egenskaper.3,4 

ECM-proteiner som upprätthåller vävnadsstrukturen är till exempel elastin, kollagener och specifika proteoglykaner. ECM utgör även en betydelsefull lagringskälla för olika tillväxtfaktorer och cytokiner som är essentiella för celldifferentiering, migration och tillväxt.1,2 

ECM-homeostasen regleras av matrixmetalloproteinaser (MMP) som bryter ner ECM och specifika vävnadsinhibitorer för metalloproteinaser (TIMP) som inhiberar MMP. Vid nedbrytningen av ECM kan dessa proteaser ändra arkitekturen i lungan och göra lagrade tillväxtfaktorer, cytokiner och ECM-fragment biotillgängliga, vilket kan ge upphov till inflammation.5

Vilka celler producerar ECM?
Mesenkymala celler (mer kända som stödjeceller) innefattar fibroblaster, glattmuskelceller, endotel och epitelceller och är viktiga producenter och reglerare av ECM.3 Även mesenkymala progenitorceller, som fibrocyter, pericyter och mesenkymala stromaceller, är involverade i ECM-förändringar och fibrosutveckling.1

Framför allt fibroblaster och glattmuskelceller syntetiserar stora mängder av olika matrixkomponenter, tillväxtfaktorer och inflammatoriska ämnen, som prostaglandiner.6,7 Dessa celler kan därmed ha autokrin och parakrin påverkan på ECM-regleringen i de olika delarna av lungan. 

Cellulära händelser som styrs av ECM
ECM utgör en biodynamisk enhet som har kapacitet att reglera många cellulära händelser med betydelse för patogenesen i lungan. Cellers förmåga att migrera är beroende av en komplex vävnadsstruktur och biomekaniska egenskaper såsom lungans styvhet och topologi.8 ECM kan därmed öka cellers migrationskapacitet genom att inducera förändringar av cellers morfologi och cytoskelett.9 

ECM-komponenter kan även reglera cellers förmåga att föröka sig genom att påverka uttrycket av receptorer för cytokiner och tillväxtfaktorer uppbundna i ECM, vilket initierar stimulatoriska och inhibitoriska signaler för celltillväxt.1 

Vad händer med ECM vid kronisk lungsjukdom?
Det är stora skillnader i centrala och distala luftvägar med avseende på ECM-innehåll samt mesenkymala cellers förmåga att migrera, dela sig och producera ECM vid olika lungsjukdomar.9 Vid astma sker patologiska förändringar i ECM, såsom förändrad struktur och syntes av kollagen som bidrar till successivt ökad styvhet av vävnaden. 

Det mest kännetecknande vid astma är ett förtjockat basalmembran och ökad mängd glattmuskel.1 Vi har i våra studier sett att ECM-innehållet är förändrat mellan olika stadier av astma och är kopplat till sym-tomkontroll samt astmans svårighetsgrad.10,11 Vid fatal astma sker mer uttalade förändringar av ECM, såsom kollagener och proteoglykaner i lungparenkym och distala luftvägar jämfört med mer centrala luftvägar.1 

Dessa förändringar är kopplade till minskad elastisk recoil och alveolär struktur och indikerar en viktig roll för små luftvägar vid astmapatofysiologin. Dock krävs det mer forskning inom detta område, då de små luftvägarna är svårstuderade vid astma.

Vid KOL pågår parallella processer med extensiv ECM-syntes som manifesteras i form av peribronkiell fibros och nedbrytning av ECM i alveoler, vilket resulterar i emfysem.1 Förändringar i elastiska fiber och specifika proteoglykaner har identifierats i de olika delarna av lungan i patienter med moderat KOL.12 

Vi har i tidigare studier sett att det är uttalade förändringar av proteoglykansyntes från fibroblaster framtagna från central och distal lungvävnad från patienter med svår KOL.13 Fibroblasterna från patienterna med svår KOL verkade även ha en förändrad fenotyp och felaktig syntes av kollagennätverket vilket kan påverka emfysemutvecklingen.14

Vid KOL är det även en obalans mellan MMP och TIMP, vilket leder till en överproduktion av MMP. Ökad MMP-aktivitet och neutrofil elastas korrelerar med patologin, och speciellt MMP-9 har en viktig roll vid emfysemutveckling.15

Vid IPF sker en massiv deposition av ECM-komponenter i lungparenkymet. Strukturella förändringar sker primärt i alveolära regioner, men påverkar även distala luftvägar. Dessa patologiska förändringar leder till restriktiv lungfunktionsnedsättning och försämrat syrgasutbyte. 

Vid IPF finns även specifika fibroblast-foci som består av en ackumulerad mängd myofibroblaster som aktivt syntetiserar mer ECM. En ökad mängd elastiska fiber ger även upphov till en styvare lungvävnad hos patienter med IPF, vilket leder till försvårad inandning då biomekaniska egenskaper förändras.1 En styvare lungvävnad verkar även inducera en negativ feedbackloop med ökad profibrotisk signalering i omkringliggande lungvävnad.  

Behandlingsstrategier riktade mot ECM vid kronisk lungsjukdom
Dagens standardbehandlingar av olika lungsjukdomar har tyvärr liten verkan på ECM-förändringar. Steroider har effekt på inflammation och tidig fas av remodellering, men i den kroniska fasen har steroider inte visat sig ha någon tydlig effekt på strukturella förändringar i lungan.1 Nintedanib är en ny tyrosinkinashämmare som används för behandling av IPF. Den inhiberar receptorer till specifika tillväxtfaktorer och har visat positiva effekter hos patienter med IPF genom minskad lungfunktionsnedsättning och fibrosutveckling in vitro.16 I nuläget finns dock inga läkemedel som har direkt inverkan på ECM och vi har inte tillräcklig kunskap om hur ECM påverkar sjukdomsspecifika förändringar av cellers aktivitet. 

Intressant är att vi har visat att det mellan frisk och sjuk vävnad vid IPF finns en tydlig zon med regenerativ potential.17,18 Detta kan vi studera närmare då vi har utvecklat en ny cellodlingsmetod där vi odlar primära humana lungceller i en 3D-miljö bestående av tunna snitt av decellulariserad human lungvävnad. I denna modell kan vi följa den komplexa ECM-biodynamiken och studera nybildning och nedbrytning av ECM över tid.19 Detta ger oss en unik möjlighet att studera hur olika celler påverkas av sjukt och friskt ECM över tid. 

Slutsats

ECM har en viktig roll i att bibehålla lungans struktur och funktion. Dock påverkas ECM i hög grad vid lungsjukdom. Genom mer forskning inom detta underutforskade område kommer vi ha möjlighet att finna nya riktade behandlingsstrategier mot ECM-förändringar vid kronisk lungsjukdom. 

Referenser

1. Burgess JK, Mauad T, Tjin G, Karlsson JC, Westergren-Thorsson G. The Extracellular Matrix – the under-recognised element in lung disease? J Pathol 2016;34; 1437-1444. 2. Frantz C, Stewart KM, Weaver VM. The extracellular matrix at a glance. J Cell Sci 2010;123(24):4195-4200. 3. Sorokin L. The impact of the extracellular matrix on inflammation. Nat Rev Immunol 2010;10(10):712-723. 4. Burgstaller G, Oehrle B, Gerckens M, White ES, Schiller HB, Eickelberg O. The instructive extracellular matrix of the lung: basic composition and alterations in chronic lung disease. Eur Respir J 2017;50:1. 5. Djekic UV, Gaggar A, Weathington NM. Attacking the multi-tiered proteolytic pathology of COPD: new insights from basic and translational studies. Pharmacol Ther 2009;121(2):132-146. 6. Harkness LM, Kanabar V, Sharma HS, Westergren-Thorsson G, Larsson-Callerfelt AK. Pulmonary vascular changes in asthma and COPD. Pulm Pharmacol Ther 2014;29(2):144-155. 7. Westergren-Thorsson G, Bagher M, Andersson-Sjoland A, Thiman L, Lofdahl CG, Hallgren O, et al. VEGF synthesis is induced by prostacyclin and TGF-beta in distal lung fibroblasts from COPD patients and control subjects: Implications for pulmonary vascular remodelling. Respirology 2018;23(1):68-75. 8. Charras G, Sahai E. Physical influences of the extracellular environment on cell migration. Nat Rev Mol Cell Biol 2014;15(12):813-824. 9. Ahrman E, Hallgren O, Malmstrom L, Hedstrom U, Malmstrom A, Bjermer L, et al. Quantitative proteomic characterization of the lung extracellular matrix in chronic obstructive pulmonary disease and idiopathic pulmonary fibrosis. J Proteomics 2018;1874-3919(18)30084-8. 10. Nihlberg K, Andersson-Sjoland A, Tufvesson E, Erjefalt JS, Bjermer L, Westergren-Thorsson G. Altered matrix production in the distal airways of individuals with asthma. Thorax 2010;65(8):670-676. 11. Weitoft M, Andersson C, Andersson-Sjoland A, Tufvesson E, Bjermer L, Erjefalt J, et al. Controlled and uncontrolled asthma display distinct alveolar tissue matrix compositions. Respir Res 2014;15:67. 12. Annoni R, Lancas T, Yukimatsu Tanigawa R, de Medeiros Matsushita M, de Morais Fernezlian S, Bruno A, et al. Extracellular matrix composition in COPD. Eur Respir J 2012;40(6):1362-1673. 13. Hallgren O, Nihlberg K, Dahlback M, Bjermer L, Eriksson LT, Erjefalt JS, et al. Altered fibroblast proteoglycan production in COPD. Respir Res 2010;11:55. 14. Larsson-Callerfelt AK, Hallgren O, Andersson-Sjoland A, Thiman L, Bjorklund J, Kron J, et al. Defective alterations in the collagen network to prostacyclin in COPD lung fibroblasts. Respir Res 2013;14:21. 15. Mocchegiani E, Giacconi R, Costarelli L. Metalloproteases/anti-metalloproteases imbalance in chronic obstructive pulmonary disease: genetic factors and treatment implications. Curr Opin Pulm Med 2011;17(Suppl1):11-19. 16. Hajari Case A, Johnson P. Clinical use of nintedanib in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. BMJ Open Resp Res 2017;4:e000192.  17. Westergren-Thorsson G, Hedstrom U, Nybom A, Tykesson E, Ahrman E, Hornfelt M, et al. Increased deposition of glycosaminoglycans and altered structure of heparan sulfate in idiopathic pulmonary fibrosis. Int J Biochem Cell Biol 2017;83:27-38. 18. Rydell-Tormanen K, Zhou XH, Hallgren O, Einarsson J, Eriksson L, Andersson-Sjoland A, et al. Aberrant nonfibrotic parenchyma in idiopathic pulmonary fibrosis is correlated with decreased beta-catenin inhibition and increased Wnt5a/b interaction. Physiol Rep 2016;4:5. 19. Rosmark O, Ahrman E, Muller C, Elowsson Rendin L, Eriksson L, Malmstrom A, et al. Quantifying extracellular matrix turnover in human lung scaffold cultures. Sci Rep 2018;8(1):5409.