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세포외 기질(ECM)는 유기체의 세포외에 존재하는 불용성 물질이며, 모든 조직과 기관에 존재하는 매우 복잡하고 동적인 3차원 구조입니다.
ECM을 구성하는 성분과 부착하는 세포의 양, 비율은 인체의 다양한 조직에 따라 다르며 다양한 양상을 나타냅니다. 조직 공학적인 관점에서도 ECM은 조직의 형태 형성이나 분화, 항상성 유지에 필요한 생화학적, 생체역학적 단서를 제공함과 동시에 세포 접착의 지지체로서 기능하며, 장기나 조직의 구조적 및 기능적 무결성에서 중요한 역할을 담당합니다.
또한 ECM은 그 특성으로부터 재생의료나 조직공학에 있어서의 다양한 응용이 모색되고 있습니다. 장기 재건 및 재생에 사용되는 재료를 만들기 위해 탈 세포화 조직을 사용하면 특정 생물학적 및 기계적 신호를 제공하기 위해 세포가 원래 조직에서 볼 수있는 복잡한 미세 환경을 모방합니다.
ECM의 구성 요소
세포 외 기질은 불용성 섬유와 가용성 분자의 조합으로 구성됩니다.
콜라겐 과 엘라스틴 은 섬유상 단백질로, 상재 세포에 구조적인 지지를 주고 조직에 탄력성을 부여합니다. 라미닌 과 피브로넥틴 과 같은 다 접착성 당단백질은 ECM에 대한 세포 접착을 중재한다. 글리코사미노글리칸 및 프로테오글리칸 은 ECM의 다른 구성요소가 침지된 하이드로겔의 형성에 관여하는 고분자이다.
ECM을 구성하는 단백질과 다당류와 그에 부착되는 세포의 양, 비율 및 조직은 인체의 다양한 조직에 따라 다릅니다. 예를 들면, 뼈나 치아에서는 인산칼슘 등의 미네랄이 침착됨으로써 ECM이 석회화됩니다.
콜라겐 (Collagen)
콜라겐은 세포 외 매트릭스에 존재하는 풍부한 섬유상 단백질이며 ECM의 주요 구조 요소입니다. 그 종류는 다양하며 28종의 콜라겐이 보고되어 있으며, 각각 다른 구조, 성질, 기능을 가지고 있습니다. I형 콜라겐은 가장 흔하며 피부와 뼈, 힘줄과 인대에 많이 포함되어 있으며 체내의 90%를 차지합니다. 타입 II 콜라겐은 연골에 많이 존재하며 가역적으로 압축되는 특성이 있습니다. III형 콜라겐은 혈관이나 소화관, 자궁의 평활근 등 변형성 조직에 존재합니다.
콜라겐은 3개의 폴리펩티드 사슬로 구성된 3중 나선 구조를 가지며, 이 구조에는 글리신이 중요한 역할을 한다. 콜라겐의 돌연변이는 구조 형성의 지연과 변형의 증가를 유발하여 유전성 결합 조직 질환의 특징이 됩니다.
엘라스틴 (Elastin)
엘라스틴은 동맥, 폐, 심장, 피부 등 신체의 다양한 조직에 존재하며 탄력성 섬유의 주요 성분으로 작용함으로써 조직이 부하에 견딜 수 있게 합니다.
트로포엘라스틴은 가용성 엘라스틴 전구체이며, 세포 외로 분비되어 세포막 근처의 탄력 섬유에 모입니다. 이 트로포 엘라스틴 분자는 서로 가교되어 큰 섬유질 네트워크와 엘라스틴 층을 형성합니다. 엘라스틴의 합성 장애나 불용성 섬유의 단백질분해가 일어나면 중요한 장기의 정상적인 발달과 기능에 영향을 주어 심각한 임상 병태를 일으킬 수 있습니다.
글리코사미노 글리칸 (GAG: G lycos a mino g lycan)
글리코사미노글리칸(GAG)은 음전하를 가지는 비분지의 다당쇄이며, 황산기 또는 카르복실기의 존재를 특징으로 합니다. GAG는 콘드로이틴 황산, 델마탄 황산, 헤파란 황산, 헤파린, 케라탄 황산, 히알루론산(또는 히알루로난)의 6가지 고분자를 포함한다.
히알루론산은 가장 단순한 GAG이며 황산기를 갖지 않는 유일한 것입니다. 다른 GAG는 세포 내에서 합성되어 엑소 사이토 시스에 의해 방출되는 반면, 히알루 론산은 세포막에서 합성되어 직접 세포 표면에서 방출됩니다. GAG는 매우 단단하고 친수성 사슬을 가지고 있습니다. 그러므로 단백질과 같은 다른 긴 구조체가 접혀 구형 입체형태가 되는 것과는 달리 늘어나는 경향이 있다. 따라서 이러한 고분자는 큰 부피를 차지하고 저농도에서도 하이드로겔을 형성합니다.
프로테오글리칸 (Proteoglycan)
프로테오글리칸은 단백질의 코어에 GAG가 공유 결합한 사슬로 구성되어 3차원 구조를 형성하고 있지만 그 구조 형태는 다양합니다. 결합 조직에 포함된 데콜린은 하나의 GAG 사슬만을 가지고 있지만, 관절 연골에 많이 포함된 아글리칸은 100개 이상의 GAG 사슬을 가지고 있습니다. 또한, 히알루론산은 단백질과의 결합을 갖지 않는 유일한 GAG이지만, 아그리칸과 상호작용함으로써 큰 응집체를 형성하여 관절 연골 조직이 압축 하중을 견딜 수 있도록 하고 있다.
피브로넥틴 (Fibronectin)
피브로넥틴은 척추동물에 널리 존재하는 대형의 접착성 당단백질로, 세포의 세포외 매트릭스에 대한 접착이나 세포 이동을 조절합니다. 피브로넥틴은 이량체 형태로 존재하며, 서브유닛은 이황화 결합에 의해 결합한다. 또한, 피브로넥틴은 콜라겐, 피브린, 헤파린 등의 세포외 물질 및 특정 막 수용체와 상호작용할 수 있다.
라미닌 (Laminin)
라미닌은 α, β, γ의 3개의 폴리펩티드 사슬로 이루어지는 다접착성 당단백질이며, 이들의 조합에 의해 다양한 형태를 형성합니다. 라미닌은 콜라겐이나 헤파란 황산을 포함한 다른 분자와 상호작용하며, 세포 수용체와도 연결되어 세포와 세포외 매트릭스를 연결하는 다리로서 기능합니다.
그 외에도 세포의 분화나 이동, 접착, 증식, 아폽토시스에 라미닌이 중요한 역할을 하고, 세포 분화의 단계나 특수한 기능의 실행에 관여하는 것으로 알려져 있습니다.