[论文解读] Remodeling of Fibrous Extracellular Matrices by Contractile Cells: Predictions from Discrete Fiber Network Simulations

Abhilash S. Nair, Brendon M. Baker+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 24被引用 9

一句话总结

本研究开发了一种基于有限元的离散纤维网络模型，用于模拟收缩性细胞如何重塑纤维状细胞外基质，准确预测了胶原蛋白的对齐、非均匀变形以及远距离的力传递。关键发现表明，高度收缩且呈伸长形态的细胞可产生高达其自身尺寸十倍的机械影响区域，与实验观测结果一致，并揭示了细胞收缩力与形状各向异性共同影响基质重塑结果的相图。

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.

研究动机与目标

• 理解收缩性细胞如何通过机械机制重新组织纤维状细胞外基质。
• 模拟细胞收缩力作用下，纤维束的形成与远距离力传递的出现。
• 量化细胞收缩力与形状各向异性对基质重塑及机械信号作用范围的影响。
• 开发一个可预测的计算框架，准确捕捉实验观测到的纤维对齐与应变异质性。

提出的方法

• 采用基于有限元的离散纤维网络模型，模拟纤维状细胞外基质的机械行为。
• 为纤维单元赋予机械属性，并允许其在模拟收缩性细胞施加的力作用下发生重新取向与拉伸。
• 将细胞诱导的力建模为施加于网络的局部位移力，其中收缩力与细胞形状为可调参数。
• 利用本构定律模拟应变诱导的纤维对齐，促进纤维沿主应力方向重新取向。
• 通过追踪网络中应力的传播，模型能够捕捉非均匀变形与远距离力传递。
• 参数化研究通过改变细胞收缩力与长宽比，绘制出基质重塑行为的相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个收缩性细胞的收缩力如何诱导纤维状细胞外基质组分的对齐与重排？
• RQ2 单个收缩性细胞对周围基质施加的机械影响的空间范围有多大？
• RQ3 细胞收缩力与形状各向异性如何共同影响基质重塑与力传递？
• RQ4 离散纤维网络模型在多大程度上能定量再现实验观测到的基质重排与应变异质性？

主要发现

• 该模型准确再现了在细胞收缩力作用下实验观测到的胶原蛋白纤维对齐与非均匀基质变形。
• 对于高度收缩且呈伸长形态的细胞，预测其机械影响区域可延伸至细胞尺寸的十倍，与实验测量结果一致。
• 相图揭示了基于细胞收缩力与形状各向异性组合的基质重塑不同阶段。
• 应变诱导的纤维对齐促进了远距离力传递，使机械信号可在远超细胞自身尺寸的距离上传播。
• 该模拟框架成功捕捉了与体内及体外基质重塑特征相符的厚实、对齐的纤维束的形成。