[논문 리뷰] Remodeling of Fibrous Extracellular Matrices by Contractile Cells: Predictions from Discrete Fiber Network Simulations

Abhilash S. Nair, Brendon M. Baker외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 22.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 24인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 수축성 세포가 섬유질 세포외기질을 재구성하는 방식을 시뮬레이션하기 위해 유한요소 기반의 이산 섬유망 구조 모델을 개발한다. 이 모델은 콜라겐 정렬, 이질적인 변형 및 장거리 힘 전달을 정확하게 예측한다. 주요 발견은 고도로 수축성이고 기하학적으로 길쭉한 세포가 자신 크기의 10배까지 기계적 영향 영역을 형성하며, 이는 실험 관측과 일치한다. 또한 세포 수축성과 형태 이방성의 조합이 기질 재구성 결과에 미치는 영향을 보여주는 단계도진도를 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수축성 세포가 섬유질 세포외기질을 재구성하는 기계적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 세포 수축성에 반응하여 정렬된 섬유 뭉치와 장거리 힘 전달이 어떻게 발생하는지 모델링하기 위해.
• 세포 수축성과 형태 이방성이 기질 재구성 및 기계적 신호 전달 범위에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 실험 관측된 섬유 정렬과 변형 이질성과 일치하는 예측 가능한 수치 계산 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 섬유질 세포외기질의 기계적 거동을 시뮬레이션하기 위해 유한요소 기반의 이산 섬유망 모델을 사용한다.
• 섬유 요소에 기계적 성질을 할당하고, 시뮬레이션된 수축성 세포에 의해 작용하는 힘에 따라 재정렬 및 인장되도록 허용한다.
• 세포 유도 힘은 조절 가능한 매개변수인 수축성과 세포 형태를 고려해 네트워크에 局부적으로 적용된 전단력으로 모델링된다.
• 응력 유도 섬유 정렬은 주 응력 방향을 따라 재정렬을 촉진하는 구성법칙을 사용하여 시뮬레이션된다.
• 응력 전파를 추적함으로써 네트워크를 통해 이질적인 변형과 장거리 힘 전달을 포착한다.
• 파arametric 연구를 통해 세포 수축성과 길이비를 변화시켜 기질 재구성 행동의 단계도진도를 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 수축성 세포의 수축력이 섬유질 세포외기질 성분의 정렬과 재구성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 단일 수축성 세포가 주변 기질에 미치는 기계적 영향의 공간적 범위는 어느 정도인가?
• RQ3 세포 수축성과 형태 이방성이 함께 기질 재구성과 힘 전달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이산 섬유망 모델이 실험적으로 관측된 기질 재구성과 변형 이질성을 정량적으로 얼마나 잘 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 세포 수축성에 반응하여 실험적으로 관측된 콜라겐 섬유 정렬과 이질적인 기질 변형을 정확히 재현한다.
• 고도로 수축성이고 기하학적으로 길쭉한 세포의 경우, 기계적 영향 영역이 세포 크기의 10배까지 확장되는 것으로 예측되며, 이는 실험 측정과 일치한다.
• 단계도진도는 세포 수축성과 형태 이방성의 조합에 따라 기질 재구성의 별개의 영역을 드러낸다.
• 응력 유도 섬유 정렬 덕분에 장거리 힘 전달이 가능해지며, 이는 세포 자체보다 훨씬 넓은 거리에서 기계적 신호 전달을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 생체 내 및 배양 조건에서 관찰되는 두꺼운 정렬 섬유 뭉치의 발생을 성공적으로 포착한다.