[논문 리뷰] Microbuckling in fibrin networks enables long-range cell mechanosensing

Jacob Notbohm, Ayelet Lesman외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 13.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

논문은 섬유성 섬유에서의 미세 굽힘 현상이 세포 내 장거리 기계적 감지 기능을 가능하게 한다고 제안한다. 이는 圧축 강성의 감소로 이어져 선형 탄성 이론이 예측하는 것보다 더 넓은 거리로 변형장이 전파되도록 하기 때문이다. 섬유 네트워크의 비선형 유한요소 모델을 사용하여, 본 연구는 이 메커니즘이 세포 간에 국소적으로 인장된 밴드를 생성함으로써 서로 멀리 떨어져 있더라도 서로를 감지할 수 있도록 한다고 밝혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세포가 세포외기질에서 장거리 기계적 자극을 어떻게 감지하는지 이해하는 것.
• 실험에서 관찰된 장거리 기질 변형을 재현하지 못하는 선형 탄성 젤리의 한계를 해결하는 것.
• 섬유성 네트워크에서 세포 유도 기질 변형을 포괄하는 비선형 미세구조 모델을 개발하는 것.
• 생물학적으로 관련성이 있는 기질에서 장거리 기계감지 기능을 가능하게 하는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 기질 매개 기계신호를 통해 세포 간 소통가능성이 어떻게 이루어지는지 조사하는 것.

제안 방법

• 세포 유도 변형을 시뮬레이션하기 위해 섬유 네트워크의 비선형 미세구조 유한요소 모델을 개발하였다.
• 하중에 의해 압축 강성이 감소하는 것을 고려하여 섬유 굽힘 거동을 모델링하였다.
• 기질 이동량에 대한 실험 데이터를 사용하여 모델의 校정 및 검증을 수행하였다.
• 개별 세포에 의해 유도된 국소 변형 및 그 상호작용을 시뮬레이션하였다.
• 미세 굽힘에 의해 발생하는 세포 간 인장 변형 밴드의 형성 분석을 수행하였다.
• 선형 탄성 모델 예측와의 대비를 통해 비선형 효과를 부각시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포는 선형 탄성 이론이 예측하는 것보다 더 넓은 거리에서 어떻게 섬유성 기질에 장거리 변형을 유도하는가?
• RQ2 섬유 네트워크 내에서 이러한 장거리 기계 신호 전파를 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 개별 섬유의 미세 굽힘이 압축 강성 감소 및 신호 전파에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 미세 굽힘 현상으로 인해 세포 간 국소적 인장 변형 밴드가 형성되어 세포 간 기계감지 기능이 향상되는가?
• RQ5 왜 합성 선형 탄성 젤리는 관찰된 섬유성 네트워크의 장거리 기계감지 기능을 재현하지 못하는가?

주요 결과

• 개별 섬유성 피브린 섬유의 미세 굽힘이 압축 강성의 현저한 감소를 초래하여 기질 변형의 장거리 전파를 가능하게 한다.
• 비선형 유한요소 모델은 실험적으로 측정된 세포 유도 기질 이동량을 성공적으로 재현하였다.
• 미세 굽힘 현상으로 인해 세포 간 국소적 인장 변형 밴드가 형성되어 세포 간 소통을 위한 기계적 경로를 제공한다.
• 이 메커니즘이 섬유성 기질에서는 장거리 기계감지 기능이 관찰되지만, 합성 선형 탄성 젤리에서는 관찰되지 않는 이유를 설명한다.
• 연구 결과는 생물학적으로 관련성이 있는 세포외기질에서 기계전도를 기술하는 데 선형 탄성 이론이 충분히 적합하다는 가정을 도전한다.
• 미세 굽힘 현상은 기존에 예측된 것보다 훨씬 넓은 거리에서 기계적 자극을 감지할 수 있도록 세포가 기능할 수 있도록 하는 핵심 비선형 메커니즘이다.