[论文解读] Mechanosensitivity of Crawling Cells under Periodically Stretching Substrates

John J. Molina, Ryōichi Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Cellular Mechanics and Interactions被引用 1

一句话总结

本研究提出了一种计算模型，用于模拟在周期性拉伸基底上运动的细胞，能够捕捉细胞形态变形、肌动蛋白网络重排以及与基底的耦合。该模型再现了实验中观察到的细胞重定向行为——根据拉伸频率和细胞类型，细胞会垂直、平行或倾斜地对齐于拉伸方向，揭示了运动与细胞骨架动力学中的频率依赖性机械敏感性。

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.

研究动机与目标

• 理解运动细胞如何感知并响应周期性拉伸基底的机械信号。
• 弥合细胞运动中多尺度（长度和时间）机械敏感性理解的空白。
• 复现实验中观察到的细胞行为，如形态变形和细胞骨架重排在循环拉伸下的表现。
• 研究拉伸频率和细胞类型如何影响细胞对机械刺激的重定向模式。
• 开发一个将肌动蛋白网络动力学与基底力学及细胞运动相耦合的预测性模型。

提出的方法

• 开发一种计算模型，模拟细胞在周期性拉伸基底上的运动行为。
• 引入主动应力生成和细胞骨架重塑，以捕捉形态变化和肌动蛋白网络重排。
• 对细胞与基底之间的机械耦合进行建模，包括牵引力和基底变形。
• 引入频率依赖性机械刺激，以模拟实验中的循环拉伸方案。
• 模拟肌动蛋白丝在外部应变场作用下的对齐与重定向动力学。
• 采用连续体或类连续体方法表示细胞骨架力和细胞极性，以实现对大规模形变和运动的模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 周期性基底拉伸如何影响运动细胞的重定向？
• RQ2 拉伸频率在决定细胞相对于拉伸方向的优选对齐角度中起什么作用？
• RQ3 肌动蛋白网络动力学和细胞骨架重排在循环应变下的机械感应中起何种作用？
• RQ4 计算模型在多大程度上能复现实验中观察到的细胞行为，如垂直、平行或倾斜对齐？
• RQ5 细胞与基底之间的机械耦合在循环载荷下如何影响运动性和形态变形？

主要发现

• 该模型成功复现实验中观察到的细胞在周期性拉伸基底上的重定向行为。
• 细胞根据拉伸频率偏好性地在特定角度（垂直、平行或倾斜）对齐于拉伸方向。
• 拉伸频率调节细胞对齐方向，表明存在频率依赖性的机械敏感性反应。
• 肌动蛋白网络重排与基底应变动态耦合，驱动细胞形态和运动方向的变化。
• 该模型捕捉了在循环机械刺激下，细胞骨架动力学、基底力学与细胞运动之间的复杂相互作用。
• 在相同拉伸条件下，不同细胞类型在模型中表现出不同的对齐偏好，反映出机械敏感性中的生物学变异性。