نقش نیروهای مکانیکی در تمایز و تکثیر سلولی: مدل عددی سه بعدی
تاریخ انتشار: پنجشنبه 17 اردیبهشت 1394
| امتیاز:
تمایز ، تکثیر و مهاجرت سلولی فرآیندهای اساسی در بازسازی بافت می باشند. شواهد تجربی تایید می کند که تمایز و یا تکثیر سلولی را می توان با توجه به سختی ماتریکس خارج سلولی تنظیم کرد. به عنوان مثال، سلول های بنیادی مزانشیمی (MSC) می توانند به نوروبلاست، کندروسیت و یا استئوبلاست در ماتریکس های تقلیدکننده سختی بستر طبیعی آنها تمایز یابند. با این حال، مکانیزم های دقیقی که بوسیله آن سختی بستر تمایز و یا تکثیر سلولی را کنترل می کند، به خوبی شناخته نشده است. بنابراین، در اینجا یک مدل محاسباتی حس کننده مکانیکی برای روشن شدن چگونگی تنظیم تمایز و یا تکثیر سلولی توسط سختی بستر در طول مهاجرت سلول ایجاد شده است. مطابق با مشاهدات تجربی، فرض بر این است که تغییر شکل داخلی سلول (یک سیگنال مکانیکی) همراه با حالت بلوغ سلولها به طور مستقیم تمایز و / یا تکثیر سلولی را تنظیم می کند. یافته های ما نشان داد که تمایز سلول های بنیادی مزانشیمی به ویژگی های نورونی، غضروفی یا استخوانی به ترتیب در بسترهای نرم (0.1-1 کیلو پاسکال) ، متوسط (20-25 کیلو پاسکال) و یا سخت (30-45 کیلو پاسکال) رخ می دهد. این نتایج با مشاهدات تجربی به خوبی شناخته شده است. شایان ذکر است، زمانی که سلول های بنیادی مزانشیمی به یک فنوتیپ سازگار تمایز می یابند، میانگین نیروی کششی خالص بستگی به سختی بستر دارد به گونه ای که ممکن است در بسترهای بینابینی و سخت افزایش یابد اما در یک ماتریکس نرم کاهش یابد. با این حال، در تمام موارد میانگین نیروی کششی خالص، بطور قابل توجهی در لحظه تکثیر سلول به دلیل تعامل سلول - سلول افزایش می یابد. علاوه بر این تمایز و تکثیر سلولی با افزایش سختی بستر به علت کاهش در زمان بلوغ سلولها افزایش می یابد . بنابراین، این مدل نگرشی را برای توضیح این فرضیه که سختی بستر نقش کلیدی در تنظیم سرنوشت سلول طی نیروی مکانیکی وارده دارد، فراهم می کند.
PLoS One. 2015 May 1;10(5):e0124529. doi: 10.1371/journal.pone.0124529. eCollection 2015.
Role of Mechanical Cues in Cell Differentiation and Proliferation: A 3D Numerical Model.
Mousavi SJ1, Hamdy Doweidar M1.
Abstract
Cell differentiation, proliferation and migration are essential processes in tissue regeneration. Experimental evidence confirms that cell differentiation or proliferation can be regulated according to the extracellular matrix stiffness. For instance, mesenchymal stem cells (MSCs) can differentiate to neuroblast, chondrocyte or osteoblast within matrices mimicking the stiffness of their native substrate. However, the precise mechanisms by which the substrate stiffness governs cell differentiation or proliferation are not well known. Therefore, a mechano-sensing computational model is here developed to elucidate how substrate stiffness regulates cell differentiation and/or proliferation during cell migration. In agreement with experimental observations, it is assumed that internal deformation of the cell (a mechanical signal) together with the cell maturation state directly coordinates cell differentiation and/or proliferation. Our findings indicate that MSC differentiation to neurogenic, chondrogenic or osteogenic lineage specifications occurs within soft (0.1-1 kPa), intermediate (20-25 kPa) or hard (30-45 kPa) substrates, respectively. These results are consistent with well-known experimental observations. Remarkably, when a MSC differentiate to a compatible phenotype, the average net traction force depends on the substrate stiffness in such a way that it might increase in intermediate and hard substrates but it would reduce in a soft matrix. However, in all cases the average net traction force considerably increases at the instant of cell proliferation because of cell-cell interaction. Moreover cell differentiation and proliferation accelerate with increasing substrate stiffness due to the decrease in the cell maturation time. Thus, the model provides insights to explain the hypothesis that substrate stiffness plays a key role in regulating cell fate during mechanotaxis.
PMID: 25933372