[논문 리뷰] Mechanosensitivity of Crawling Cells under Periodically Stretching Substrates

John J. Molina, Ryōichi Yamamoto|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 06.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 형태 변형, 액틴-네트워크 재편성 및 기질 결합을 반영하는 주기적으로 팽창하는 기질 위에서 기어다니는 세포의 계산 모델을 제시한다. 모델은 세포 유형과 팽창 주파수에 따라 실험적으로 관찰된 세포 재정렬(수직, 평행, 또는 기울어진 방향)을 재현하며, 이는 운동성과 세 cytoskeletal 동역학에서 주파수 의존적 기계 감지 능력을 드러낸다.

ABSTRACT

The mechanosensitivity of cells, which determines how they are able to respond to mechanical signals received from their environment, is crucial for the functioning of all biological systems. However, a detailed understanding of such response is still lacking, as it involves processes occurring over a wide range of length- and time-scales. Experimentally, one of the preferred methods to investigate how crawling cells react to such stimulation is to apply cyclic stretching to the substrate to which they are attached. Studying the shape deformations and changes in motility, as well as the localization of characteristic proteins (e.g., actin or myosin) or the orientation of the actin filament network inside of the cell under stretching, has provided crucial information on their mechano-sensing abilities. In particular, cells have been shown to reorient under such perturbations, aligning at specific angles with respect to the stretching direction that depends strongly on the type of cell. We introduce a computation model for crawling cells on such periodically stretching substrates that is able to account for the complex shape deformations, the reorganization of the actin-network, and the coupling to the substrate. As in experiments, we are able to observe preferential alignment along perpendicular, parallel, or oblique angles to the stretching, depending on the frequency of stretching, as well as on the type of response exhibited by our model cells.

연구 동기 및 목표

• 주기적으로 팽창하는 기질에서 기어다니는 세포가 기계적 자극을 감지하고 어떻게 반응하는지 이해하기 위해.
• 세포 운동에서 다중 척도(길이 및 시간)의 기계 감지 이해 격차를 메우기 위해.
• 순환 팽창 조건에서 세포 형태 변형과 세 cytoskeletal 재편성과 같은 실험적으로 관찰된 세포 행동을 재현하기 위해.
• 팽창 주파수와 세포 유형이 기계 자극에 대한 재정렬 패턴에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 액틴 네트워크 동역학을 기질 기계성과 세포 운동과 결합하는 예측 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 주기적으로 팽창하는 기질 위에서 기어다니는 세포를 시뮬레이션하는 계산 모델을 개발한다.
• 형태 변화와 액틴 네트워크 재편성을 반영하기 위해 능동적 응력 생성과 세 cytoskeletal 재편성을 통합한다.
• 세포와 기질 간의 기계적 결합, 즉 牵引力과 기질 변형을 모델링한다.
• 실험적 순환 팽창 프로토콜을 모방하기 위해 주파수 의존적 기계 자극을 도입한다.
• 외부 변형장에 대한 반응으로 액틴 필라멘트의 정렬 및 재정렬 동역학을 시뮬레이션한다.
• 연속체 또는 연속체 유사 접근법을 사용하여 세 cytoskeletal 힘과 세포극성 표현을 가능하게 하여 대규모 변형과 운동성의 시뮬레이션을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적인 기질 팽창은 기어다니는 세포의 재정렬에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 팽창 주파수는 팽창 방향에 대한 세포의 선호 정렬 각도를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 순환 변형 조건에서 액틴 네트워크 동역학과 세 cytoskeletal 재편성이 기계 감지에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 계산 모델이 실험적으로 관찰된 세포 행동, 예를 들어 수직, 평행, 또는 기울어진 정렬을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 순환 하중 조건에서 세포와 기질 간의 기계적 결합은 운동성과 형태 변형에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 주기적으로 팽창하는 기질 위에서 실험적으로 관찰된 세포 재정렬을 성공적으로 재현한다.
• 세포는 팽창 주파수에 따라 특정 각도—수직, 평행, 또는 기울어진 방향—으로 선호적으로 정렬된다.
• 팽창 주파수가 세포 정렬 방향을 조절하며, 이는 주파수 의존적 기계 감지 반응을 나타낸다.
• 액틴 네트워크 재편성이 기판 변형과 동적으로 결합되어 세포 형태 변화와 운동 방향 변화를 이끈다.
• 모델은 순환 기계 자극 하에서 세 cytoskeletal 동역학, 기질 기계성, 세포 운동성 간의 복잡한 상호작용을 포괄한다.
• 동일한 팽창 조건에서 서로 다른 세포 유형은 서로 다른 정렬 선호도를 보이며, 이는 기계 감지 능력에서의 생물학적 다양성을 반영한다.