डुरोटैक्सिस

डुरोटैक्सिस सेल माइग्रेशन का एक रूप है जिसमें कोशिकाओं को कठोरता ग्रेडियेंट द्वारा निर्देशित किया जाता है, जो बाह्य मैट्रिक्स (ईसीएम) के अंतर संरचनात्मक गुणों से उत्पन्न होता है। अधिकांश सामान्य कोशिकाएं कठोरता प्रवणताओं (अधिक कठोरता की दिशा में) की ओर पलायन करती हैं।

ड्यूरोटैक्सिस अनुसंधान का इतिहास
ड्यूरोटैक्सिस की प्रक्रिया के लिए पर्यावरण को सक्रिय रूप से समझने, यांत्रिक उत्तेजना को संसाधित करने और प्रतिक्रिया निष्पादित करने के लिए एक सेल की आवश्यकता होती है। मूल रूप से, यह एक आकस्मिक मेटाज़ोआ संपत्ति माना जाता था, क्योंकि इस घटना के लिए एक जटिल संवेदी पाश की आवश्यकता होती है जो कई अलग-अलग कोशिकाओं के संचार पर निर्भर होती है। हालाँकि, 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक के दौरान प्रासंगिक वैज्ञानिक साहित्य की संपत्ति में वृद्धि हुई, यह स्पष्ट हो गया कि एकल कोशिकाओं में ऐसा करने की क्षमता होती है। पृथक कोशिकाओं में डुरोटैक्सिस की पहली टिप्पणियों में यह था कि यांत्रिक उत्तेजना चूजों के संवेदी और मस्तिष्क न्यूरॉन्स में अक्षतंतु की दीक्षा और बढ़ाव का कारण बन सकती है और पहले से स्थिर मछली एपिडर्मल केराटोसाइट्स में गतिशीलता को प्रेरित कर सकती है।   ईसीएम कठोरता को cytoskeleton कठोरता, फ़ाइब्रोनेक्टिन फाइब्रिल असेंबली, इंटीगिन-साइटोस्केलेटल इंटरैक्शन की ताकत, आकृति विज्ञान और गतिशीलता दर को प्रभावित करने के लिए भी नोट किया गया था, जो सभी प्रभाव सेल माइग्रेशन के रूप में जाने जाते थे।

पिछली टिप्पणियों से मिली जानकारी के साथ, लो और उनके सहयोगियों ने परिकल्पना तैयार की कि व्यक्तिगत कोशिकाएं सक्रिय स्पर्श अन्वेषण की एक प्रक्रिया द्वारा सब्सट्रेट (जीव विज्ञान) की कठोरता का पता लगा सकती हैं जिसमें कोशिकाएं सिकुड़ने वाली ताकतों को लागू करती हैं और सब्सट्रेट में परिणामी विरूपण को मापती हैं। अपने स्वयं के प्रयोगों द्वारा समर्थित, इस टीम ने वर्ष 2000 में बायोफिजिकल जर्नल में अपने पेपर में डूरोटैक्सिस शब्द गढ़ा।{{cite journal|last=Lo|first=C|title=सेल मूवमेंट सबस्ट्रेट की कठोरता द्वारा निर्देशित होता है|journal=Biophysical Journal|date=1 July 2000|volume=79|issue=1|pages=144–152|doi=10.1016/S0006-3495(00)76279-5|pmid=10866943|pmc=1300921|bibcode=2000BpJ....79..144L} अधिक हाल के शोध पिछले अवलोकनों और डुरोटैक्सिस के सिद्धांत का समर्थन करते हैं, सेल प्रवासन के लिए निरंतर सबूत के साथ कठोरता ग्रेडियेंट और कठोरता-निर्भर रूपात्मक परिवर्तन

सब्सट्रेट कठोरता
ईसीएम की कठोरता सेल प्रकारों में काफी भिन्न होती है; उदाहरण के लिए, यह मस्तिष्क के ऊतकों के नरम ईसीएम से लेकर कठोर हड्डी या पौधों की कोशिकाओं की कठोर कोशिका भित्ति तक होता है। कठोरता में यह अंतर ईसीएम के गुणात्मक और मात्रात्मक जैव रासायनिक गुणों या दूसरे शब्दों में, ईसीएम मेशवर्क बनाने वाले विभिन्न मैक्रोमोलेक्यूल्स की एकाग्रता और श्रेणियों का परिणाम है। हालांकि ECM कई इंट्रासेल्युलर-संश्लेषित घटकों से बना है - जिसमें कई ग्लाइकोसअमिनोग्लाइकन्स (GAGs) और फाइब्रोनेक्टिन, लेमिनिन, कोलेजन और इलास्टिन जैसे रेशेदार [[प्रोटीन]] शामिल हैं - यह बाद के दो फाइबर हैं जो यांत्रिक गुणों को परिभाषित करने में सबसे प्रभावशाली हैं। ईसीएम।

कोलेजन रेशेदार प्रोटीन है जो ईसीएम को इसकी तन्य शक्ति, या कठोरता प्रदान करता है। इलास्टिन - जैसा कि इसके नाम से पता चलता है - ऊतकों में एक महत्वपूर्ण भूमिका के साथ एक अत्यधिक लोचदार प्रोटीन है, जिसे विरूपण के बाद अपनी मूल स्थिति में लौटने की आवश्यकता होती है, जैसे कि त्वचा, रक्त वाहिकाएं और फेफड़े। इन दो मुख्य निर्धारकों की सापेक्ष सांद्रता, अन्य कम प्रभावशाली मैट्रिक्स घटकों के साथ, ईसीएम की कठोरता निर्धारित करती है। उदाहरण के लिए, कोलेजन एकाग्रता को विवो और कृत्रिम परिवेशीय (जैल) दोनों में मैट्रिक्स कठोरता से सहसंबद्ध बताया गया है।

कठोरता मापना
जैविक अनुसंधान में, कठोरता (या कठोरता) को आमतौर पर पास्कल (यूनिट) में यंग के लोच के मापांक, अक्ष के साथ तनाव के अनुपात का उपयोग करके मापा जाता है। इस प्रकार, एक उच्च यंग मापांक वाला पदार्थ बहुत कठोर होता है। एक ऊतक के यंग के मापांक को मापने के लिए सबसे सटीक और अच्छी तरह से स्थापित विधि उपकरणों पर निर्भर करती है - जैसे इंस्ट्रॉन लोड सेल डिवाइस - जो सीधे यांत्रिक भार लागू करती है और परिणामी विरूपण को मापती है। अब, विभिन्न प्रकार की elastography तकनीकों का उपयोग किए बिना एक ऊतक के यंग के मापांक का आसानी से और सटीक अनुमान लगाया जा सकता है। ये विधियां ऊतक में विरूपण उत्पन्न करती हैं और आमतौर पर मेडिकल अल्ट्रासोनोग्राफी या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के साथ यांत्रिक गुणों को मापती हैं। मानव शरीर में कई ऊतकों के यांत्रिक गुणों की विशेषता के लिए यंग के मापांक का बार-बार उपयोग किया गया है। जानवरों के ऊतकों की कठोरता परिमाण के कई क्रमों में भिन्न होती है, उदाहरण के लिए: स्वाइन ब्रेन - 260-490 पा
 * बोवाइन आर्टिकुलर कार्टिलेज - 950 केपीए
 * माउस कंकाल की मांसपेशी - 12 केपीए
 * गिनी पिग फेफड़े - 5-6 केपीए
 * मानव फाइब्रोटिक लीवर - 1.6 kPa, स्वस्थ मानव लीवर 640 Pa

अलग-अलग कठोरता का संश्लेषण करना
अलग-अलग कठोरता के मेट्रिसेस आमतौर पर प्रायोगिक और चिकित्सीय उद्देश्यों के लिए इंजीनियर होते हैं (उदाहरण के लिए घाव भरने के लिए कोलेजन मेट्रिसेस) ). डूरोटैक्टिक ग्रेडियेंट केवल बहुलक से 2-आयामी सबस्ट्रेट्स बनाकर बनाए जाते हैं (उदाहरण के लिए एक्रिलामाइड या पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन) जिसमें कठोरता को क्रॉस-लिंकिंग घनत्व द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो बदले में क्रॉस-लिंकर एकाग्रता द्वारा नियंत्रित होता है। बहुलक को ऐसी सामग्री से लेपित किया जाना चाहिए जिसका कोशिका पालन कर सके, जैसे कोलेजन या फाइब्रोनेक्टिन। ग्रैडिएंट स्वयं को अक्सर हाइड्रोजेल के रूप में संश्लेषित किया जाता है, जिसके बाद microfluidics ग्रैडिएंट जनरेटर का उपयोग किया जाता है, जिसके बाद photopolymerization होता है। इस तकनीक के लिए एक उन्नति 3डी मेट्रिसेस का उपयोग है, जो सेल माइग्रेशन को उन स्थितियों में निर्देशित करने में सक्षम हैं जो सेल के प्राकृतिक त्रि-आयामी वातावरण से अधिक संबंधित हैं। बाह्य मैट्रिक्स के साथ सेलुलर संपर्क की साइट फोकल आसंजन है, एक बड़ा, गतिशील प्रोटीन कॉम्प्लेक्स है जो साइटोस्केलेटन को इंटरेक्टिंग प्रोटीन की कई संगठित परतों के माध्यम से ईसीएम फाइबर से जोड़ता है। इंटीग्रिन सबसे बाहरी प्रोटीन हैं और जो सीधे ईसीएम लिगेंड से जुड़ते हैं। हालांकि, फोकल आसंजन साधारण एंकरों की तुलना में काफी अधिक हैं - सिग्नलिंग में उनके प्रोटीन की कई भूमिकाएँ हैं। ये प्रोटीन, जैसे कि फोकल आसंजन किनेज (FAK), चर्बी प्रोटीन, विनकुलिन, paxillin और α-एक्टिनिन, छोटे GTPases (GTPases के Rho परिवार, Rac (GTPase), CDC42) और अन्य सिग्नलिंग रास्ते के साथ परस्पर क्रिया करते हैं ताकि रिले भी हो सके। मैट्रिक्स कठोरता में छोटे परिवर्तन और फलस्वरूप कोशिका आकार, एक्टोमोसिन सिकुड़न और साइटोस्केलेटल संगठन में परिवर्तन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। नतीजतन, ये परिवर्तन दिशात्मक प्रवासन को सुविधाजनक बनाने के लिए सेल को अपने साइटोस्केलेटन को पुनर्व्यवस्थित करने का कारण बन सकते हैं। एक सेल का साइटोस्केलेटन पॉलिमर का लगातार उतार-चढ़ाव वाला नेटवर्क है जिसका संगठन सेल के भौतिक वातावरण पर बहुत निर्भर करता है। फोकल आसंजनों पर, एक कोशिका एक कर्षण बल लगाती है। दूसरे शब्दों में, यह ECM को खींचता है। इस प्रकार, सेल अपने फोकल आसंजनों में ईसीएम कठोरता और साइटोस्केलेटल तनाव के बीच एक यांत्रिक होमोस्टैसिस बनाए रखता है। यह होमियोस्टैसिस गतिशील है, क्योंकि फोकल आसंजन परिसरों का लगातार निर्माण, रीमॉडेलिंग और डिसैम्बल्ड किया जाता है। इससे सिग्नल ट्रांसडक्शन और डाउनस्ट्रीम सेलुलर प्रतिक्रियाओं में परिवर्तन होता है। सेल सिग्नलिंग ईसीएम के भौतिक और जैव रासायनिक दोनों गुणों का एक उत्पाद है और सेलुलर प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए इन दो मार्गों के बीच बातचीत महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, हड्डी मोर्फोजेनेटिक प्रोटीन (बीएमपी) - एक वृद्धि कारक - अपर्याप्त साइटोस्केलेटल तनाव के तहत ओस्टोजेनेसिस को प्रेरित करने में असमर्थ है। साइटोस्केलेटल ट्रैक्शन का स्रोत एक्टोमीसिन सिकुड़न है। बढ़ी हुई बाहरी कठोरता एक सिग्नल ट्रांसडक्शन कैस्केड की ओर ले जाती है जो GTPases और Rho से जुड़े किनेज (ROCK) के छोटे GTPase Rho परिवार को सक्रिय करती है। ROCK, बदले में, मायोसिन लाइट चेन फॉस्फोराइलेशन को नियंत्रित करता है, एक ऐसी घटना जो मायोसिन ATPase गतिविधि को ट्रिगर करती है और एक्टिन फाइबर को छोटा करती है, जिससे ECM पर संकुचन और खिंचाव होता है। हालांकि सटीक मार्ग जो ECM कठोरता को ROCK गतिविधि से जोड़ता है, अज्ञात है, बढ़ी हुई ECM कठोरता के जवाब में बढ़े हुए कर्षण का अवलोकन ड्यूरोटैक्सिस की घटना को समझाने के लिए पर्याप्त है। मजबूत यांत्रिक प्रतिक्रिया कोशिका को कठोर क्षेत्र की ओर खींचती है और दिशात्मक आंदोलन में पूर्वाग्रह पैदा करती है और साइटोस्केलेटल और फोकल आसंजन संगठन पर अन्य परिणाम होते हैं। 

नतीजतन, ड्यूरोटैक्सिस को कठोरता मैकेनोसेंसिंग नामक प्रक्रिया में स्थान और समय पर ईसीएम कठोरता के निरंतर नमूने पर भरोसा करना चाहिए। हाल के शोध से पता चला है कि अपरिवर्तनीय ईसीएम कठोरता के जवाब में व्यक्तिगत फोकल आसंजन आवश्यक रूप से स्थिर कर्षण बलों को लागू नहीं करते हैं। वास्तव में, जबकि कुछ अलग-अलग फोकल आसंजन स्थिर कर्षण बलों को प्रदर्शित कर सकते हैं, अन्य लोग टगिंग और रिलीज के दोहराए गए चक्र के तरीके से टगिंग ट्रैक्शन प्रदर्शित करते हैं। फोकल आसंजनों के गुण - चाहे स्थिर हों या खींचे जा रहे हों - अपने पड़ोसियों से स्वतंत्र होते हैं और इस तरह, प्रत्येक फोकल आसंजन स्वायत्त रूप से कार्य करता है। यह टगिंग ट्रैक्शन सेल माइग्रेशन के अन्य रूपों, जैसे कि कीमोटैक्सिस और haptotaxis के लिए डिस्पेंसेबल दिखाया गया है, लेकिन ड्यूरोटैक्सिस के लिए आवश्यक है। फोकल आसंजन प्रोटीन (FAK/paxillin/vinculin) - और उनके फॉस्फोराइलेशन-निर्भर इंटरैक्शन के साथ-साथ सेल के भीतर उनका विषम वितरण (यानी YAP सक्रियण और कठोरता सक्रिय pFAK के माध्यम से परमाणु अनुवाद) - ईसीएम कठोरता की एक विस्तृत श्रृंखला में उच्च कर्षण और टगिंग कर्षण को प्रदर्शित करने के लिए आवश्यक हैं। इसके अलावा, नरम ईसीएम में कोशिकाओं को स्थानांतरित करके या रॉक को रोककर फोकल आसंजन तनाव में कमी से फोकल आसंजन स्थिर से टगिंग राज्यों में बदल जाता है। इस प्रकार, कठोरता मैकेनोसेंसिंग एक सेल को एक सेल के भीतर फोकल आसंजन रिक्ति के संकल्प पर मैट्रिक्स कठोरता का नमूना लेने की अनुमति देता है (≈1-5μm)।

जैव रासायनिक और यांत्रिक संकेतों के एकीकरण से सेल माइग्रेशन को ठीक करने की अनुमति मिल सकती है। हालांकि, ड्यूरोटैक्सिस के पीछे शारीरिक तर्क - और विशेष रूप से कठोरता ग्रेडियेंट को स्थानांतरित करने के लिए कोशिकाओं की प्रवृत्ति - अज्ञात है।

कर्षण मापना
कर्षण बलों को मापने के लिए सबसे प्रचलित और सटीक आधुनिक विधि जो कोशिकाएं सब्सट्रेट पर डालती हैं, कर्षण बल माइक्रोस्कोपी (TFM) पर निर्भर करती हैं। इस पद्धति के पीछे सिद्धांत मैट्रिक्स में एम्बेडेड फ्लोरोसेंट मोती के 2-आयामी विस्थापन की गणना करके सब्सट्रेट में विरूपण को मापना है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीएफएम ~ 1 सुक्ष्ममापी के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन पर बहुत छोटी संरचनाओं, जैसे फोकल आसंजनों पर कर्षण बलों के विश्लेषण की अनुमति देता है।

नैदानिक ​​महत्व
शारीरिक स्थितियों के तहत ड्यूरोटैक्सिस की भूमिका अज्ञात रहती है। यह बाह्य जैव रासायनिक संकेतों के लिए एक सेल के आंदोलन की प्रतिक्रिया को ठीक करने में एक उद्देश्य की सेवा कर सकता है, हालांकि शारीरिक वातावरण में ड्यूरोटैक्सिस का सापेक्ष योगदान जहां एक सेल अन्य करों (जैसे केमोटैक्सिस) के अधीन है, अज्ञात है, और वास्तव में साबित हो सकता है वीवो में सेल माइग्रेशन के लिए पूरी तरह से डिस्पेंसेबल होना। इस घटना की कई रोग अवस्थाओं में भी भूमिका हो सकती है जिसमें ऊतकों का सख्त होना शामिल है, जैसा कि नीचे बताया गया है।

कर्क
यह एक सामान्य अवलोकन है कि ट्यूमर आसपास के ऊतकों की तुलना में सख्त होते हैं, और यहां तक ​​कि स्तन कैंसर की स्व-परीक्षा के लिए आधार के रूप में कार्य करते हैं। वास्तव में, स्तन कैंसर के ऊतक को सामान्य ऊतक की तुलना में दस गुना अधिक सख्त बताया गया है। इसके अलावा, एक बढ़ते और मेटास्टेसाइजिंग ट्यूमर में fibroblasts ्स और एंडोथेलियल कोशिकाओं जैसे कई अलग-अलग प्रकार के सेल का सहयोग शामिल होता है, जिसमें अलग-अलग कठोरता होती है और इसके परिणामस्वरूप स्थानीय कठोरता ग्रेडिएंट हो सकते हैं जो सेल माइग्रेशन को निर्देशित करते हैं। इस बात के प्रमाण बढ़ रहे हैं कि ड्यूरोटैक्सिस कैंसर रूप-परिवर्तन में एक भूमिका निभाता है। चूहों में किए गए प्रयोगों से पता चला है कि ट्यूमर कोशिकाएं कठोर कोलेजन फाइबर के साथ आसन्न स्ट्रोमा (पशु ऊतक) में अधिमानतः आक्रमण करती हैं। इन कठोर कोलेजन संरेखण का उपयोग स्तन ट्यूमर सेल microinvasion की फोकल साइटों की पहचान करने के लिए किया जा सकता है। गर्भावस्था, जिसमें स्तन कैंसर की घटना और पूर्वानुमान के विभिन्न लिंक हैं, में प्रसवोत्तर स्तन शामिल है जो कोलेजन रीमॉडेलिंग और सूजन पर निर्भर करता है जो इन कोलेजन फाइबर को कठोर समकक्षों में परिवर्तित करता है, इस प्रकार गर्भावस्था और मेटास्टैटिक गुणों के बीच एक संभावित लिंक स्थापित करता है। हालांकि कुछ शोध से पता चलता है कि कठोर ट्यूमर बढ़े हुए मेटास्टेसिस और घटे हुए अस्तित्व के संकेत हैं (जो इस अवधारणा का खंडन करते हैं कि ड्यूरोटैक्टिक कोशिकाओं को ट्यूमर की ओर अधिक आकर्षित होना चाहिए और कम मेटास्टेसाइज करना चाहिए), यह सहज नहीं है क्योंकि कोलेजन-निर्भर इंटीग्रिन सिग्नलिंग की एक विस्तृत श्रृंखला है डुरोटैक्सिस से परे परिणाम, जिसमें miRNA miR-18a के अपग्रेडेशन के माध्यम से ट्यूमर दबाने वाला PTEN (जीन) का निषेध शामिल है। इसके अलावा, इस बात के सबूत हैं कि बढ़ी हुई ट्यूमर की कठोरता वास्तव में घटी हुई मेटास्टेसिस के साथ सहसंबंधित होती है, जैसा कि ड्यूरोटैक्सिस के सिद्धांत से पता चलता है।

लीवर फाइब्रोसिस
लिवर फाइब्रोसिस ईसीएम प्रोटीन का संचय है, जैसे कोलेजन, जो कई पुराने यकृत रोगों में होता है। बढ़ी हुई यकृत कठोरता (मौजूदा कोलेजन की) वास्तव में फाइब्रोसिस से पहले और फाइब्रोजेनिक मायोफिब्रोब्लास्ट के सक्रियण के लिए आवश्यक होने के लिए दिखाया गया है। फाइब्रोब्लास्ट ड्यूरोटैक्सिस के माध्यम से कठोर ऊतक की ओर बढ़ते हैं, और उस तक पहुंचने पर, फाइब्रोजेनिक मायोफिब्रोब्लास्ट्स में अंतर करेगा। ड्यूरोटैक्सिस-आश्रित फाइब्रोसिस का यह शातिर सकारात्मक प्रतिक्रिया पाश संभवतः यकृत फाइब्रोसिस की रोकथाम के लिए एक चिकित्सीय लक्ष्य हो सकता है।

एथेरोस्क्लेरोसिस
atherosclerosis की विकृति काफी हद तक संवहनी चिकनी मांसपेशियों की कोशिकाओं (वीएसएमसी) के रक्त वाहिका की अंतरंग अंगरखा परत में प्रवास पर निर्भर करती है, जहां वे लिपिड जमा कर सकते हैं, नेक्रोसिस से गुजर सकते हैं और ईसीएम (फाइब्रोसिस) को विस्तृत कर सकते हैं। इन कोशिकाओं के प्रवास को कठोरता-निर्भर होने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है, और मैट्रिक्स की कठोरता विकास कारकों के जवाब में उनके प्रसार को प्रभावित करती है।

गणितीय मॉडल
ड्यूरोटैक्सिस का वर्णन करने के लिए कई गणितीय मॉडल का उपयोग किया गया है, जिनमें शामिल हैं:
 * लैंग्विन समीकरण पर आधारित एक द्वि-आयामी मॉडल, मैट्रिक्स के स्थानीय यांत्रिक गुणों को शामिल करने के लिए संशोधित।
 * एक मॉडल एक लोचदार स्थिरता घटना के रूप में ड्यूरोटैक्सिस के विवरण पर आधारित है, जहां साइटोस्केलेटन को प्रीस्ट्रेस्ड इलास्टिक लाइन तत्वों की एक प्लेनर प्रणाली के रूप में तैयार किया जाता है जो एक्टिन तनाव फाइबर का प्रतिनिधित्व करते हैं।
 * एक मॉडल जहां कठोर मध्यस्थ दृढ़ता फोकर-प्लैंक समीकरण का रूप है।
 * एक मॉडल जहां कठोर मध्यस्थ दृढ़ता डुरोटैक्सिस को प्रभावित करती है।

यह भी देखें

 * कड़ापन
 * यंग मापांक
 * फोकल आसंजन
 * मेकेनोटैक्सिस
 * केमोटैक्सिस
 * हैप्टोटैक्सिस