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In biologia, la matrice extracellulare (abbreviata con MEC) o metaplasma costituisce la parte di un tessuto non composta da cellule e rappresenta la più complessa unità di organizzazione strutturale dei tessuti degli organismi viventi. In particolare è l'elemento distintivo dei tessuti connettivi. La matrice extracellulare è secreta dalle cellule, per questo è degradabile dalle stesse, ed è composta principalmente da acqua, proteine, zuccheri e lipidi. Esistono diverse tipologie di MEC a seconda del tessuto: nei tessuti connettivi la matrice extracellulare è abbondante perché ricopre anche il compito di sopportare il carico meccanico mentre negli altri tessuti questo carico è supportato direttamente dalle cellule; in oltre la matrice può essere più o meno lassa (nei tessuti ossei la MEC è estremamente compatta a differenza di quella presente nei tessuti cartilaginei e connettivi). La matrice extracellulare è composta da una matrice amorfa, detta sostanza fondamentale, e da una componente fibrillare, questa conferisce stabilità alla struttura della matrice.

In aggiunta la MEC funge da deposito di diversi fattori di crescita cellulari. Cambiamenti nella condizione fisiologica possono innescare l'attività di proteasi che provocano il rilascio locale di questi depositi. Questo permette una rapida attivazione delle funzioni cellulari nella zona di rilascio, senza dover sintetizzare ex novo i fattori.

Componenti

La MEC è costituita da diversi tipi di glicoproteine, proteoglicani e da acido ialuronico. Nella maggior parte degli animali la componente più abbondante nella MEC è il collagene (la proteina più abbondante negli animali, che costituisce il 25% delle proteine del corpo umano). Le componenti della matrice amorfa possono essere suddivise in 3 categorie:

1. proteine strutturali
   • collageni e elastine
2. complessi di proteine
   • proteoglicani
3. proteine adesive
   • laminine e integrine

Collageni

I collageni sono fibre proteiche le quali presentano un'elevata resistenza agli insulti fisici, come per esempio la trazione, ma sono pressocché inestensibili; sono insolubili in acqua e resistenti agli enzimi digestivi animali. Alla vista le fibre collagene si presentano come lunghe fibre biancastre ondulate, le fibre possono diramarsi in più direzioni come nel tessuto connettivo denso irregolare, o in una direzione sola nel caso del tessuto connettivo denso regolare. La sintesi del collagene non è opere di un solo tipo cellulare, infatti la sua biosintesi dipende dal tessuto ospitante: la maggior parte del collagene presente nel nostro organismo è prodotto dai fibroblasti e osteoblasti ma può anche essere sintetizzato dalle cellule muscolari lisce, dalle cellule epiteliali... Ha una struttura particolare formata da tre catene polipeptidiche avvolte a elica l'una intorno all'altra; le singole molecole si aggregano in fibrille di collagene, polimeri ordinati composti da sottili filamenti di diametro compreso tra i 10 ed i 300nm in grado di aggregarsi in fibre più spesse. L'unità fondamentale delle fibre di collagene è il tropocollagene (una superelica con tre catene polipeptidiche alfa avvolte a spirale, ogni catena è composta da 1042 amminoacidi). Possiamo contare circa una ventina di diversi tipi di collagene, i principali sono:

Tipo	Descrizione	Tessuti Interessati
I	Tipologia più abbondante nel nostro organismo (99% del collagene totale), è importante per la guarigione delle ferite, per evitare strappamenti tra i tessuti. È ritenuto il tipo di collagene più forte.	pelle, tendini, ossa, cartilagini, adipe, cornea
II	È costituito da fibre più larghe rispetto al collagene di tipo I. Ha la capacità di legarsi a molecole di acqua rendendolo più resistente agli urti; oltre alla sua resistenza apporta una notevole flessibilità.	cartilagine, dischi intervertebrali, corpo vitreo
III	È composto da fibre reticolari ed è uno dei componenti principali della MEC. Solitamente si trova insieme al tipo I. Supporta la struttura degli organi cavi, conferisce compattezza ed elasticità.	Tessuto cicatriziale, vasi sanguigni, cuore, utero, tessuto di granulazione
IV	Fornisce supporto a livello cellulare ed aiuta ad ancorare l'epitelio al tessuto connettivo lasso sottostante.	membrana basale
V	È associato al collagene di tipo I. È il responsabile della creazione della superficie cellulare	placenta, tessuto interstiziale, capelli, superfici cellulari, giunzioni dermo-epidermiche

Elastine

Come suggerisce il nome le elastine sono fibre elastiche presenti in tutti i tessuti dilatabili. L'elastina è sintetizzata dai fibroblasti dalle cellule muscolari lisce. Il monomero di base dell'elastina è la tropoelastina, una sequenza ordinata di amminoacidi la cui disposizione va a creare zone idrofobiche e zone idrofile; ha una composizione molto simile al collagene in quanto entrambi presentano la glicina, la prolina e l'idrossipolina ma nell'elastina possiamo trovare anche la valina e l'alanina, non presenti nel collagene.

L'elastina insieme alla fibrillina va a formare la fibra elastica; sono fibre molto stabili capaci di sopportare elevate torsioni e tensioni, possono aumentare fino al 50% la loro lunghezza, non sono però in grado di sopportare la trazione. Sono formate da un un nucleo composto da una matrice amorfa costituita da elastina alla quale si ancorano in maniera ordinata numerose microfibrille di fibrillina. Alcuni tessuti devono essere estremamente deformabili e per andare incontro a questa esigenza le fibre elastiche sono in grado di unirsi per andare a formare le membrane elastiche, questo comportamento è facile osservarlo nei vasi sanguigni sottoposti ad un'elevata portata come l'aorta.

Proteoglicani

I proteoglicani sono polimeri costituiti da catene di disaccaridi o glicosaminoglicani(GAG) ancorate al core proteico. Possono essere liberi nella matrice extracellulare, come nel caso dell'aggrecano, possono essere ancorati alla membrana plasmatica grazie ai glicosilfosfatidilinositolo (GPI), come per il glipicano, oppure possono essere legati alla membrana attraverso una regione del core proteico, come il sindecano. I GAG sono generalmente sintetizzati nell'apparato di Golgi, l'acido ialuronico viene invece prodotto da enzimi presenti sulla superficie esterna della membrana plasmatica.

Le tipologie più diffuse di GAG sono:

• Condroitina solfato
  • tipologia più abbondante, si trova soprattutto nelle cartilagini
• Dermatan solfato
  • molto presente nel derma, nei vasi sanguigni e nelle valvole cardiache. Aumenta l'elasticità e la resistenza dei tessuti in cui è presente
• Eparina
  • Assume una funzione anticoagulante. Può essere utilizzata come farmaco iniettabile ed è presente nell'elenco dei farmaci essenziali dell'OMS
• Acido ialuronico
  • Ha un'azione lubrificante ed è uno dei componenti fondamentali dei tessuti connettivi mammiferi

Grazie alla loro forte carica positiva, i proteoglicani sono in grado di creare legami con l'acqua; la MEC aumenta la sua resistenza e la sua adattabilità grazie all'elevata idratazione. I glicosaminoglicani ricoprono principalmente funzioni di sostegno ma svolgono anche molti altri compiti come per esempio:

1. conservare una grande quantità di acqua
2. trasportare molecole idrosolubili
3. aumentare l'indice di ammortizzazione nelle cartilagini

 

Illustrazione della struttura della Laminina

Laminine

Le laminine sono presenti soprattutto nella membrana basale (o lamina). Sono composte da una subunità più grande (chiamta A) e due subunità più piccole (b1 e b2) avvolte in una struttura a tripla elica, sono disposte a forma di croce latina grazie ai legami disolfuro: al centro si trovano diversi siti di legame, tra i quali possiamo trovarne uno specifico per le integrine ed un altro per il collagene di tipo IV.

La laminina è sintetizzata dalle cellule epiteliali.

Ha un ruolo di importanza durante lo sviluppo embrionale ed anche nell'organizzazione delle cellule nei tessuti.

Integrine

Le integrine sono glicoproteine integrali di membrana, possono essere trovate nella membrana cellulare ed hanno il compito di legare le fibronectine. Le loro funzioni principali sono quella comunicativa e quella di trasduzione del segnale. La funzione comunicativa consiste nell'agevolare il collegamento cellula-MEC unendo la matrice al citoscheletro all'interno della cellula; questo collegamento garantisce che la cellula rimanga nella MEC senza esserne sbalzata fuori durante l'applicazione di forze tiranti. La connessione cellula-matrice extracellulare è la base per la costruzione di un organismo pluricellulare. La trasduzione del segnale consiste nella trasmissione dei segnali tra le cellule, i segnali trasmessi sono importantissimi perché hanno a che fare con tutti gli aspetti della vita di una cellula, dalla divisione alla differenziazione fino alla morte della stessa.

L'essere umano possiede 24 tipi di integrine ognuna con proprietà e funzioni caratteristiche.

Le Giunzioni

Le giunzioni servono ad avvicinare il più possibile le cellule in modo tale da ridurre la matrice extracellulare. Le principali sono:

• le giunzioni strette
  • Hanno il compito di bloccare il passaggio alle proteine di trasporto. Mantengono la polarità cellulare evitando la diffusione delle proteine di membrana e creando siti di assemblaggio di proteine intracellulari
• le giunzioni aderenti
  • tutte le tipologie vincolano le cellule tra loro, cambia la modalità
  1. giunzioni aderenti: ogni molecola di caderina, intorno alla quale si organizzano queste giunzioni, si collega a filamenti del citoscheletro grazie a numerose proteine di connessione
  2. desmosomi: le caderine si ancorano a filamenti di cheratina
  3. emidesmosomi: l'ancoraggio è mediato dalle integrine della membrana plasmatica basale delle cellule epiteliali
• le giunzioni comunicanti
  • costituiscono canali intercellulari formati da complessi proteici, i connessoni, che si formano tra cellule adiacenti mettendo in comunicazione i due citoplasmi. Ogni canale è composto da 12 molecole di connessina. I canali si aprono e si chiudono a seconda di diversi segnali extracellulari. Sono presenti già a livello embrionale.

Funzione

A seconda della sua composizione la MEC può svolgere differenti funzioni tra le quali: sostegno dell'organismo, organizzazione tridimensionale dei tessuti e degli organi in fase embrionale, comunicazione tra le cellule, ancoraggio delle cellule, proliferazione e sviluppo dei tessuti con cui è a contatto.

L'ancoraggio delle cellule avviene attraverso interazioni tra la MEC e proteine di membrana, dette glicorecettori, appartenenti alla famiglia delle integrine. Attraverso questi 'ponti' molecolari le variazioni della MEC possono trasmettere stimolazioni meccaniche ed influire sull'organizzazione del citoscheletro; allo stesso modo il citoscheletro può indurre modifiche nella MEC.

Spesso la MEC ha un ruolo nel processo di regolazione riconoscimento intercellulare, permettendo il corretto funzionamento di recettori cellulari come le caderine e le molecole adesive dei neuroni (N-CAM).

Ha due tipi di funzioni a seconda del tipo di tessuto: Tessuto connettivo, la matrice abbonda e le cellule vi si distribuiscono in modo sparso; Tessuto epiteliale, la matrice cellulare è scarsa e la maggior parte del volume è occupata dalle cellule.

Importanza Clinica

La formazione della matrice extracellulare è essenziale per il processo di crescita e di guarigione delle ferite. Capire meglio la struttura e le componenti della MEC può apportare un enorme incentivo alla comprensione dell'espansione tumorale e della metastasi: un focolaio metastatico necessita di uno stroma che lo possa supportare e per crearlo viene distrutta la matrice extracellulare grazie a particolari enzimi come la serin proteasi e le metalloproteasi.

Le cellule tumorali, grazie all'aiuto dei fibroblasti associati al tumore (FAT)^[1][2] riescono a prosperare grazia alla secrezione di enzimi specifici che modificano ed adattano l'ambiente della matrice ad ospitare il tumore; la resistenza alle terapie di alcuni tumori può essere ricondotta ai FAT. Dato che le metastasi interagiscono con la matrice extracellulare lo studio di quest'ultima rappresenta una nuova frontiera di studi per comprendere sempre di più la nascita, la crescita e la resistenza dei tumori.

Note

1. ^ Vedi URL, vol. 17, DOI:10.1016/j.ccr.2010.04.018.
2. ^ Vedi URL, vol. 70, DOI:10.1158/0008-5472.can-10-0785.

Bibliografia

• essential cell biology, su internet archive.
• matrix dictionary, su biology online.
• remodelling the extracellular matrix in development and disease, su national library of medicine.
• Barbara Young, John W. Heath e Phillip Woodford, Atlante di istologia e anatomia microscopica del Wheater, Edra Masson, 2014, ISBN 882143835X.
• Valerio Monesi, Istologia, Piccin-Nuova Libraria, 2018, ISBN 8829928135.
• Bruce Alberts, Karen Hopkin e Alexander D. Johnson, L'essenziale di biologia molecolare della cellula, Zanichelli, 2020, ISBN 8808520242.

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