[論文レビュー] Microbuckling in fibrin networks enables long-range cell mechanosensing

Jacob Notbohm, Ayelet Lesman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2014

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、線形弾性理論が予測するよりも長い距離にわたって変形場が伝播できるように、コンpressive剛性を低下させるため、フィブリン繊維内のマイクロバッキングが細胞における長距離メカノセンシングを可能にすると提案している。繊維ネットワークの非線形有限要素モデルを用いた研究により、このメカニズムが細胞間で局所的な引張り帯を生成し、従来のモデルでは説明できない距離を越えて相互に感知できるようにしていることが示された。

ABSTRACT

Department of Applied Mathematics, University of Crete, Heraklion 70013, Greece(Dated: July 17, 2014)We show that cells in a brous matrix induce deformation elds that propagate over a longer rangethan predicted by linear elasticity. Synthetic, linear elastic hydrogels used in many mechanotrans-duction studies fail to capture this e ect. We develop a nonlinear microstructural nite elementmodel for a ber network to simulate localized deformations induced by cells. The model capturesmeasured cell-induced matrix displacements from experiments and identi es an important mech-anism for long range cell mechanosensing: loss of compression sti ness due to microbuckling ofindividual bers. We show evidence that cells sense each other through the formation of localizedintercellular bands of tensile deformations caused by this mechanism.

研究の動機と目的

• 細胞が細胞外マトリックス内で長距離にわたって機械的シグナルをどのように感知するかを理解すること。
• 実験で観察された長距離マトリックス変形を再現できない線形弾性ハイドロゲルの限界を解消すること。
• フィブリンネットワークにおける細胞誘導マトリックス変形を捉える非線形マイクロ構造モデルの開発。
• 生物学的に関連性のあるマトリックスで長距離メカノセンシングを可能にする物理的メカニズムの同定。
• マトリックスを介した機械的シグナル伝達による細胞間コミュニケーションのメカニズムの解明。

提案手法

• 細胞誘導変形を模擬するため、繊維ネットワークの非線形マイクロ構造有限要素モデルを開発した。
• 負荷下での圧縮剛性の低下をモデル化することで、繊維のバッキング挙動を組み込んだ。
• マトリックス変位の実験データを用いて、モデルのキャリブレーションと妥当性評価を実施した。
• 個々の細胞が誘発する局所的変形およびそれらの相互作用をシミュレートした。
• マイクロバッキングに起因する細胞間の引張り帯の形成を分析した。
• 非線形効果を強調するために、線形弾性理論の予測とモデル予測を対比した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細胞は、線形弾性理論が予測する範囲を越えて、フィブリンマトリックス内でどのように長距離変形を誘発するのか？
• RQ2 繊維ネットワーク内にどのような物理的メカニズムが、こうした長距離伝播の機械的シグナルを可能にするのか？
• RQ3 個々の繊維のマイクロバッキングは、圧縮剛性の低下とシグナル伝達にどのように寄与するのか？
• RQ4 マイクロバッキングにより、細胞間で局所的な引張り帯が形成され、細胞間メカノセンシングが促進されるか？
• RQ5 なぜ合成された線形弾性ハイドロゲルは、フィブリンネットワークで観察された長距離メカノセンシングを再現できないのか？

主な発見

• 個々のフィブリン繊維のマイクロバッキングは、圧縮剛性を顕著に低下させ、マトリックス変形の長距離伝播を可能にする。
• 非線形有限要素モデルは、実験的に測定された細胞誘導マトリックス変位を正確に再現できた。
• マイクロバッキングに起因する、細胞間の局所的引張り帯が形成され、細胞間通信の機械的パスウェイを提供する。
• このメカニズムは、フィブリンマトリックスでは長距離メカノセンシングが観察されるが、合成線形弾性ハイドロゲルでは観察されない理由を説明できる。
• 研究結果は、生物学的に関連性のある細胞外マトリックスにおける力学的トランスダクションを線形弾性理論が適切に記述すると仮定する考え方に挑戦する。
• マイクロバッキングは、従来の予測よりもはるかに長い距離にわたって機械的シグナルを感知できるようにする、重要な非線形メカニズムとして浮き彫りになった。