[論文レビュー] Remodeling of Fibrous Extracellular Matrices by Contractile Cells: Predictions from Discrete Fiber Network Simulations

Abhilash S. Nair, Brendon M. Baker+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 24被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、収縮性細胞が繊維状の細胞外マトリックスを再編成する仕組みをシミュレートするため、有限要素法に基づく離散繊維ネットワークモデルを構築した。このモデルは、コラーゲンの配列、非一様な変形、および長距離力伝達を正確に予測する。主な発見として、高収縮性で細長い細胞は、そのサイズの10倍まで及ぶ機械的影響領域を形成し、実験的観察と一致する。また、細胞の収縮性と形状の異方性がマトリックス再編成の結果に与える影響を結びつけるフェーズダイアグラムが明らかになった。

ABSTRACT

Contractile forces exerted on the surrounding extracellular matrix (ECM) lead to the alignment and stretching of constituent fibers within the vicinity of cells. As a consequence, the matrix reorganizes to form thick bundles of aligned fibers that enable force transmission over distances larger than the size of the cells. Contractile force-mediated remodeling of ECM fibers has bearing on a number of physiologic and pathophysiologic phenomena. In this work, we present a computational model to capture cell-mediated remodeling within fibrous matrices using finite element based discrete fiber network simulations. The model is shown to accurately capture collagen alignment, heterogeneous deformations, and long-range force transmission observed experimentally. The zone of mechanical influence surrounding a single contractile cell and the interaction between two cells are predicted from the strain-induced alignment of fibers. Through parametric studies, the effect of cell contractility and cell shape anisotropy on matrix remodeling and force transmission are quantified and summarized in a phase diagram. For highly contractile and elongated cells, we find a sensing distance that is ten times the cell size, in agreement with experimental observations.

研究の動機と目的

• 収縮性細胞が繊維状の細胞外マトリックスを再編成するメカニズムを機械的側面から理解すること。
• 細胞の収縮性に応じて生じる整列した繊維バンドと長距離力伝達の発生をモデル化すること。
• 細胞の収縮性と形状の異方性がマトリックス再編成および機械的シグナル伝達範囲に与える影響を定量化すること。
• 実験的観察である繊維の整列とひずみの非一様性を捉える予測可能な計算フレームワークの構築

提案手法

• 繊維状の細胞外マトリックスの機械的挙動をシミュレートするために、有限要素法に基づく離散繊維ネットワークモデルを用いる。
• 繊維要素に機械的特性を割り当て、シミュレートされた収縮性細胞が加える力に応じて再配列および伸びるよう許容する。
• 細胞に起因する力は、局所的な引っ張り力としてネットワークに加えられ、収縮性と細胞形状を調整可能なパラメータとして扱う。
• ひずみ誘発繊維整列は、主応力方向に再配列を促進する状態方程式を用いてシミュレートする。
• ネットワーク内での応力伝播を追跡することで、非一様な変形および長距離力伝達を捉える。
• パrametricスタディーにより、細胞の収縮性とアスペクト比を変化させ、マトリックス再編成行動のフェーズダイアグラムをマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の収縮性細胞が、繊維状の細胞外マトリックス成分に整列や再編成を引き起こす仕組みは何か？
• RQ2 単一の収縮性細胞が周囲のマトリックスに及える機械的影響の空間的範囲はどの程度か？
• RQ3 細胞の収縮性と形状の異方性が、マトリックス再編成および力伝達にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 離散繊維ネットワークモデルは、実験的に観察されたマトリックス再編成およびひずみの非一様性をどの程度定量的に再現できるか？

主な発見

• モデルは、細胞の収縮性に応じた実験的観察と一致するコラーゲン繊維の整列および非一様なマトリックス変形を正確に再現した。
• 高収縮性で細長い細胞では、細胞サイズの10倍まで及ぶ機械的影響領域が予測され、実験的測定と一致した。
• フェーズダイアグラムにより、細胞の収縮性と形状の異方性の組み合わせに基づくマトリックス再編成の明確な領域が明らかになった。
• ひずみ誘発繊維整列によって長距離力伝達が促進され、細胞自体のサイズよりもはるかに大きな距離にわたり機械的シグナル伝達が可能になった。
• シミュレーションフレームワークは、生体内およびin vitroのマトリックス再編成に特徴的な、太く整列した繊維バンドの出現を成功裏に捉えた。