Ekstratsellulaarne maatriks

Ekstratsellulaarne maatriks (inglise extracellular matrix) ehk rakuvaheaine on loomarakkudevaheline (väline) võrgustik, mis koosneb rakkude valmistatud ning nende sekreteeritud (väljutatud) polüsahhariididest ja valkudest.
Ekstratsellulaarse maatriksi (nüüdsest rakuvaheaine) peamine ülesanne on toimida kudede ehitusliku osana (pakub struktuurset tuge) ning mõjutada nende arengut ja talitlust.
Rakuvaheainet leidub eriti palju just sidekoes.
Rakuvaheainesse kuuluvad interstitsiaalne maatriks ja basaalmembraan. Interstitsiaalne maatriks asub mitmete loomarakkude vahel ehk nende intertsellulaarses ruumis. Polüsahhariididest koosnevad geelid ja fibrillvalgud täidavad tühjad ruumid ja töötavad kui kokkusurumisel tekkiva stressi vastased puhvrid rakuvaheainele. Basaalmembraanid on plaatjad rakuvaheaine ladestused, millel paiknevad erinevad epiteelrakud.

Roll ja tähtsus

Varieeruva ülesehituse tõttu võib rakuvaheaine täita mitmesuguseid funktsioone. Maatriks pakub tugifunktsiooni, segregeerib koed teineteisest ja reguleerib intertsellulaarset kommunikatsiooni. Reguleeritakse raku dünaamilist käitumist ehk käitumise muutlikkust. Samas sekreteerib maatriks ka suure osa rakulisi kasvufaktoreid ja käitub kui nende lokaalne hoidla. Muutus füsioloogilises seisundis võib aktiveerida proteaasse aktiivsuse, mis põhjustab nende hoidlate lagundamise ning ladustatud kasvufaktorite lokaalse vabastamise süsteemi. Kasvufaktorid võimaldavad kiiret ja lokaalset rakufunktsioonide aktivatsiooni, ilma et peaks toimuma de novo süntees.
Rakuvaheaine moodustumine on hädavajalik kasvu, haava paranemise ja fibroosi protsesside jaoks. Rakuvaheaine struktuurist ja koostisest aru saamine aitab mõista vähi bioloogias kasvaja invasiooni ja metastaaside moodustumist. Metastaaside moodustumine ja levik on tihti seotud maatriksi lõhkumisega. Ekstratsellulaarse maatriksi lõhkumiseks kasutatavad ained on näiteks seriini ja treoniini proteaasid ning maatriksi metalloproteinaasid.

Molekulaarsed komponendid

Rakuvaheaine koosneb polüsahhariididest ja valkudest ning seda leidub kõige rohkem sidekoes. Esineb palju erinevaid maatriksi molekule, mis võivad olla väga erinevalt organiseeritud. Need molekulid on organiseerunud vastavalt sellele, millised on konkreetse koe talitluslikud vajadused. Rakud sekreteerivad lokaalselt maatriksit moodustavaid valke. Paljudes sidekudedes toodavad fibroblastid maatriksi valke, mis seejärel sekreteeritakse eksotsütoosi teel rakust välja maatriksisse. Pärast sekretsiooni agregeeruvad komponendid olemasolevasse maatriksisse. Rakuvaheaine koosneb fibrillidest ja glükoosaminoglükaanidest (GAG).

Proteoglükaanid

Maatriksi polüsahhariidid (glükoosaminoglükaanid) on seotud kovalentselt teatud valkudele, nn proteoglükaanidele. Proteoglükaanidel on summaarselt negatiivne laeng, mis tõmbab ligi positiivselt laetud naatriumi ioone (Na+), mis tõmbab ligi vee molekule osmoosi teel. Sellega hoitakse rakuvaheainet ja ümbritsevaid rakke hüdreerituna. Proteoglükaanid võivad aidata ka kasvufaktorite kinnipüüdmisel ja rakuvaheaine ladustamisel.

Fibrillid

Kollageen on paljudes loomades kõige ohtramalt leiduv valk rakuvaheaines, kaasa arvatud ka inimesel. Kollageen esineb rakuvaheaines fibrillidena, mis annavad ümbruses paiknevatele rakkudele tuge. Kollageeni fibrillid on organiseerunud vastavalt koe vajadustele. Naha sidekoes on nad tihedalt kokku punutud, et vastu panna eri suundadest tulevale survele. Kollageen sünteesitakse prekursori vormis (prokollageen) ning toimetatakse raku välismembraanile. Siis lõikavad proteaasid prokollageeni, et võimaldada ekstratsellulaarset pakkimist. Kollageeni fibrillide ruumilist organiseeritust kujundavad neid sünteesivad rakud, mida nimetatakse fibroblastideks. Fibroblastid "roomavad" üle kollageeni kiudude ning avaldavad neile mehaanilist toimet, pakkides neid kokku kihiks või moodustades suuremaid kiudusid.
Elastiinid moodustavad salke, mis annavad kudedele elastsuse. Tänu elastiini olemasolule on kudedel vajadusel võimalik venida ja hiljem oma algne vorm taastada. See on kasulik veresoonte, kopsude ja naha jaoks, mis sisaldavad suurtes kogustes elastiini. Elastiini venivus on aga piiratud tiheda assotsieerumisega kollageeniga. Elastiini sünteesivad fibroblastid ja silelihasrakud. Elastiin moodustub mitmete tropoelastiinide kovalentsel seondumisel. Elastiinid on vees väga vähelahustuvad aga tropoelastiinid on vees lahustuvad. Tropoelastiinid on sekreteeritud kandjamolekulidesse (šaperonid), mis vabastavad prekursormolekuli, kui nad puutuvad kokku elastiini fiibritega. Tropoelastiinid seejärel deamineeritakse ja ühendatakse elastiini salku.

Fibronektiin

Fibronektiinid on glükoproteiinid, mis ühendavad rakke kollageeni fiibritele rakuvaheaines. See võimaldab rakkudel vajadusel läbi rakuvaheaine liikuda. Fibronektiinid seovad kollageeni rakupinna integriiniga, mis põhjustab raku tsütoskeleti ümberkorralduse, hõlbustades sellega rakkude liikumist. Rakud sünteesivad fibronektiini inaktiivses vormis. Kui fibronektiin seondub integriinile, muutub ta aktiivseks, mis võimaldab neil moodustada dimeere ja õigesti talitleda. Fibronektiinid aitavad kaasa ka koekahjustuste korral vere hüübimisele ja hõlbustavad rakkude liikumist häiritud alale haava paranemisel.

Laminiin

Laminiinid on valgud, mis leiduvad pea iga loomaraku basaalmembraanis. Erinevalt kollageenilikest fiibritest moodustavad laminiinid ämblikuvõrgutaolisi struktuure, mis seisavad vastu basaalmembraani tõmbejõududele. Nad aitavad kaasa ka rakkude adhesioonis. Laminiinid seovad rakuvaheaine komponente, nagu kollageeni, nidogeeni ja ka entaktiine.

Rakkude adhesioon rakuvaheainele

Paljud rakud seonduvad rakuvaheaine komponentidele. Rakkude kinnitumine (adhesioon) võib toimuda kahel viisil. Fokaalsed adhesioonid, mis kinnitavad rakuvaheaine raku aktiini filamentidele või hemidesmosoomid, mis kinnitavad rakuvaheaine intermediaarsetele filamentidele (nt keratiin). Selline raku ja rakuvaheaine vaheline adhesioon on reguleeritud spetsiifiliste rakupinna adhesiooni molekulidega (CAM – cellular adhesion molecules), mida kutsutakse integriinideks. Integriinid on raku pinnal asuvad valgud, mis seovad raku sellistele rakuvaheaine struktuuridele nagu fibronektiin ja laminiin. Samas seob ka integriini valkudega teiste rakkude pinnal.
Fibronektiinid seonduvad rakuvaheaine makromolekulidele ning hõlbustavad nii nende seondumist transmembraansetele integriinidele. Fibronektiini seondamine ekstratsellulaarsele domeenile initsieerib intratsellulaarseid signaaliradasid.

Rakuvaheaine tekkimisega seotud rakutüübid

Rakuvaheaine arengule annavad oma osa mitut tüüpi rakud. Vastavalt sellele, millised on lokaalsed komponendid, muutuvad ka sidekoe tunnused.
Fibroblastid on kõige harilikum rakutüüp sidekoe rakuvaheaines, kus nad sünteesivad valke, korrastavad neid ja pakuvad struktuurset tugiraamistikku. Fibroblastid sekreteerivad mitmeid rakuvaheaine eellaskomponente, kaasa arvatud fibrille.Kondrotsüüdid leiduvad kõhredes ja toodavad kõhremaatriksit (koosneb põhiliselt kollageenist ja proteoglükaanidest). Osteoblastid (sisuliselt spetsialiseerunud fibroblastid) vastutavad luude tekke eest.

Ekstratsellulaarne maatriks taimedes

Taimedes loomadele omane ekstratsellulaarne maatriks puudub. Seal täidab seda rolli rakukest (nimetatud ka nn korrektseks ekstratsellulaarseks maatriksiks). Taimerakkudest koosnevad koed on ruutmosaiigilise paigutusega. Rakukest on jäik struktuur, mis ümbritseb rakku. Rakukest pakub külgmist jõudu, et pidada vastu turgori osmootsele rõhule, kuid on piisavalt paindlik, et vajadusel võimaldada raku kasvu. Samas on rakukest ka intertsellulaarse kommunikatsiooni vahendajaks.

Kasutamine meditsiinis

On leitud, et rakuvaheaine rakud põhjustavad kudede taaskasvu ja tervenemist. Näiteks inimese lootes töötab rakuvaheaine koos tüvirakkudega, et kasvatada ja taaskasvatada kõiki inimese kehaosi. Loode suudab taaskasvatada kõik, mis on üsas kahjustada saanud. Selliseid omadusi on kasutatud, et parandada hobustel sideme rebestusi, kuid uuritakse edasi kui vahendit inimeste koeregeneratsiooniks.
Vigastuste ravimise ja koe konstrueerimise juures on rakuvaheainel kaks põhilist ülesannet. Esiteks takistab ta immuunsüsteemi vastureaktsiooni vigastusele. Kui immuunsüsteem sellele reageeriks, muutuks viga saanud kude põletikuliseks ja moodustaks armkoe. Järgmisena muudab rakuvaheaine hõlpsamaks ümbritsevatel rakkudel vigastunud kude parandada, armikoe moodustamise asemel.
Meditsiinis kasutatakse rakke, mis on eraldatud sea põiest, mis on kergesti kättesaadav ja mujal vähe kasutatud allikas. Seda meetodit kasutatakse regulaarselt maohaavandite raviks.
Rakuvaheaine valke kasutatakse tihti rakukultuurides, et säilitada tüvirakkudel ja prekursor-rakkudel mittediferentseerunud seisund. Samas on nendega võimalik ka in vitro indutseerida epiteeli, endoteeli ja silelihasrakkude diferentseerumist. Neid valke saab kasutada in vitro ka toestusena 3D-rakukultuuridele, et modelleerida tuumori arengut.