[论文解读] Microbuckling in fibrin networks enables long-range cell mechanosensing

Jacob Notbohm, Ayelet Lesman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2014

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 2被引用 4

一句话总结

该论文提出，纤维蛋白纤维中的微屈曲可降低压缩刚度，从而通过减少压缩刚度使机械信号的形变场传播得比线性弹性理论预测得更远，从而实现细胞间的远距离机械感应。通过建立纤维网络的非线性有限元模型，研究发现该机制在细胞之间产生局部的拉伸带，使细胞能够以传统模型无法解释的距离相互感应。

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.

研究动机与目标

• 理解细胞如何在细胞外基质中远距离感应机械信号。
• 解决线弹性水凝胶在复制实验中观察到的远距离基质形变方面的局限性。
• 开发一个非线性微观结构模型，以捕捉纤维蛋白网络中细胞诱导的基质形变。
• 识别在生物相关基质中实现远距离机械感应的物理机制。
• 研究细胞如何通过基质介导的机械信号进行细胞间通讯。

提出的方法

• 开发了纤维网络的非线性微观结构有限元模型，以模拟细胞诱导的形变。
• 通过在受力时模拟压缩刚度的丧失，引入纤维屈曲行为。
• 利用实验测得的基质位移数据对模型进行校准和验证。
• 模拟了单个细胞诱导的局部形变及其相互作用。
• 分析了由微屈曲引起的细胞间拉伸带的形成。
• 将模型预测与线弹性理论的预测进行对比，突出非线性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 细胞如何在纤维蛋白基质中诱导超出线性弹性理论预测的远距离形变？
• RQ2 纤维网络中的何种物理机制使此类机械信号的远距离传播成为可能？
• RQ3 单根纤维的微屈曲如何导致压缩刚度降低并促进信号传播？
• RQ4 由于微屈曲是否会在细胞之间形成局部拉伸带，从而促进细胞间机械感应？
• RQ5 为何合成的线弹性水凝胶无法再现纤维蛋白网络中观察到的远距离机械感应？

主要发现

• 单根纤维蛋白纤维的微屈曲显著降低了压缩刚度，从而实现了基质形变的远距离传播。
• 非线性有限元模型成功再现了实验测得的细胞诱导的基质位移。
• 由于微屈曲，细胞之间形成了局部的拉伸形变带，为细胞间通讯提供了机械通路。
• 该机制解释了为何在纤维蛋白基质中可观察到远距离机械感应，而在合成线弹性水凝胶中则不能。
• 研究结果挑战了线性弹性理论足以描述生物相关细胞外基质中机械转导的假设。
• 微屈曲被确立为一种关键的非线性机制，使细胞能够感应远超先前预测距离的机械信号。