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刚性感知驱动的机械应力控制上皮的稳定性

Surabhi Sonam, Lakshmi Balasubramaniam,林少珍,Ying Ming Yow Ivan, Irina Pi Jaumà, Cecile Jebane, Marc Karnat,Yusuke Toyama, Philippe Marcq, Jacques Prost,Rene-Marc Mege,让Rupprecht,Benoit Ladoux

预印本发布于2022年3月12日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.10.483785v1

想知道刚性感知是如何导致上皮组织的机械失效的吗?去看看这个预印本。

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预印本的背景

上皮细胞是一种可渗透的保护屏障,覆盖在器官和人体的大部分表面1.组织与环境之间的机械反馈、组织尺度应力(局部压缩、拉伸应力)和外部机械应力(刚度)的协调有助于上皮细胞的完整性,底物刚度在调节上皮细胞的集体迁移和通透性方面发挥着重要作用的研究日益明确1、2.然而,上皮细胞在不同环境下感知刚性的机制以及这一过程如何导致机械故障和通透性受损仍不清楚。

在这本预印本中,Sonam等人指出了对这些过程的基本理解的必要性。他们使用微图上皮组织,通过主动向列模型研究基质刚度对孔形成的影响。

预印本的主要发现

为了研究基质刚度对维持上皮细胞完整性的作用,作者在硬度从2.3(软)到55(硬)kPa不等的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶上培养肾脏和结直肠腺癌上皮细胞。PAAm水凝胶被纤维连接蛋白圆形模式功能化,以标准化上皮细胞的微观组织的大小和密度(图1a)。

作者首先观察到上皮单层中孔的形成,破坏了单层的完整性,并证明孔的数量受基质刚度的调节(图1b)。随着凝胶硬化程度的增加,孔的出现频率单调降低。考虑到刚度机械感应依赖于细胞-细胞和细胞-基质粘附之间的串扰,作者研究了两种细胞界面来解释他们的观察结果。

自发孔的形成使人联想到由于细胞-基质界面的低相互作用而产生的主动脱湿过程*。事实上,先前的观察表明,细胞在坚硬基质上比在柔软基质上施加更大的收缩应力3..通过调节纤维连接蛋白的密度来探究基底黏着对孔形成的作用,作者证实了刚度感知是机械失效的主要因素。

*与扩散不同的是,这个过程发生在液体膜从固体表面收缩形成珠状水滴时。液体倾向于通过减少与表面的相互作用来最小化其表面张力。

为了进一步了解孔的形成机制,作者将注意力集中在细胞-细胞界面上,细胞-细胞黏附相互作用产生的摩擦阻碍了细胞的运动。然而,这些力是如何受到基板刚度的影响还不清楚。有趣的是,作者观察到vinculin从坚硬基质上的局灶性粘连到柔软基质上的细胞连接的重新分配。当局部粘连由于缺乏建立的基础张力而不能形成时,长春素就会穿梭到细胞-细胞交界处,导致连接张力的建立。

Sonam等人使用基于细胞的顶点模型来模拟上皮片中的力平衡。顶点模型将单元格表视为一个多边形网络,其中单元格是连接在一起的单个多边形。在这个框架中,单元格表的动态组织(就单元格形状和位置随时间的变化而言)由顶点的运动决定。每个顶点的移动响应机械力来自生长、界面张力和每个细胞内的压力。使用一个简单的粘弹性模型,作者描述了如何平衡这些力来指示顶点动态。他们指出,总应力载荷是由单元-单元弹性模量(弹簧)和基板上的粘性阻力(阻尼器)共享的。有趣的是,粘性阻力转化为细胞-基质界面的摩擦力,这是已知的增加基质刚度4.记住,较低的基板刚度导致应力负载在较弱的阻尼器和单元-单元弹簧之间平衡。当底物不能提供充分的机械反馈时,就会导致细胞-细胞连接处的机械故障

为了进一步支持他们的模型,他们还揭示了刚度感知通过从软基板上的拉伸状态到硬基板上的压缩状态的切换有助于孔的形成。这支持了从软基板切换到硬基板时观察到的润湿转变。


图1 -一个。纤维连接蛋白在PA凝胶上的模式化过程示意图顶部:纤维连接蛋白涂层通过深紫外图案覆盖;中间:PA凝胶放置在有图案和硅烷化的封面之间;下:MDCK细胞被植入到有图案的PA凝胶上。b。MDCK细胞在2.3kPa PA凝胶上形成孔的时间蒙太奇(上图)和在55kPa凝胶上完整的单分子层(下图)。刻度裸:100 μ m。c。取向场叠加在软(2.3kPa)衬底上的相位对比图像上,表征-1/2缺陷(左列)和+1/2缺陷(右列)。某人:50μm。e。开孔过程示意图。改编自Sonamet al。

最后,他们的方法的一个独创性是考虑空间组织和方向对齐的贡献在细胞表内的顺序。为了达到这一目的,作者使用了一个优雅的主动向列模型——与液晶中的粒子组织进行了类比——来理解孔洞形成之前局部应力增加的起源。他们在软基和硬基上都发现了活跃的拓扑缺陷(图1c),这表明在软基上拉伸区域的持久性和缺陷寿命之间存在很强的相关性。将孔洞形成的位置与缺陷位置相关联后,他们发现孔洞在软基板拓扑缺陷周围的特定位置形成(图1 c和d)。

为什么我喜欢这个预印本

上皮细胞是非常紧密的集体系统,了解导致其机械故障的机制是至关重要的。为了解决这个令人兴奋的开放问题,Sonam等人将原始的实验方法与基于细胞的顶点模型相结合5,6为了证明拓扑缺陷可以维持大量的应力,需要触发孔打开时,细胞-基质相互作用较弱。他们巧妙的方法利用了一个及时的热门话题,将上皮单分子层建模为向列相液晶,为理解上皮单分子层的机械完整性带来了重要的见解。

未来的发展方向

对于未来的实验,测试基质的其他基本物理化学性质的影响将是有趣的。例如,配体的密度、基质孔隙率或损失模量(粘性部分)是可以考虑的影响组织的重要参数。

给作者的问题

  • 除了刚度之外,合成基质是否还有其他物理化学性质需要考虑,如纤维连接蛋白的密度、孔隙率或损耗模量(粘性部分)?您是否通过对硬度相似的天然基质(即胶原蛋白)进行类似的实验来证实您的观察结果?
  • 正如在液晶中观察到的那样,拓扑缺陷与向列相组织有关。你们使用了MDCK和显示这些特征的结直肠腺癌上皮细胞。你能把你的发现推广到其他的上皮细胞类型吗?你已经在体内观察到这种拓扑缺陷了吗?
  1. 拉杜,B. & Mège, r - m。集体细胞行为的机械生物学。Nat Rev Mol细胞生物18, 743-757(2017)。
  2. 底物硬度调节肺泡上皮细胞的细胞外基质沉积。Res报告生物学1(2011)。doi: 10.2147 / rrb.s13178
  3. 张志强,张志刚。基质刚度在组织扩展中的作用:湿化转变和组织硬度性。朗缪尔35, 7571-7577(2019)。
  4. 王晓燕,王晓燕,王晓燕。基质刚度对集体细胞迁移过程中摩擦的影响。Sci Rep-uk12,2474(2022)。
  5. 弗莱彻,a.g.,奥斯特菲尔德,M,贝克,R. E. & Shvartsman, s.y.上皮形态发生的顶点模型。Biophys J2291-2304(2014)。
  6. 卢西亚诺,男,薛,s.l。,Vos, W. H. D., Redondo-Morata, L., Surin, M., Lafont, F., Hannezo, E. & Gabriele, S. Cell monolayers sense curvature by exploiting active mechanics and nuclear mechanoadaptation.Nat phy17, 1382-1390(2021)。

标签:上皮细胞向列刚性压力

发布于:2022年5月23日,更新于:2022年5月30日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.32101

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作者的回应

Benoit Ladoux分享

单层薄膜中孔的形成与聚合物薄膜的脱湿过程是一个很好的类比,后者主要由毛细力驱动,通常由拓扑缺陷触发。你能评论一下这个类比,并给我们一些关于打破细胞间黏附键所需的力的见解吗?

我们观察到法向应力对孔的形成很重要。触发孔开口所需的应力值约为100pa。μ m或(100 n-2) xµm。考虑每10nm有一个分子,我们得到的力值为1pN/分子。这低于先前发现的单分子钙粘蛋白的典型值。然而,这只是一个粗略的估计。应该考虑到细胞系统的构象与单分子研究的构象完全不同。

孔洞的出现归因于由基体刚度驱动的拉伸和压缩内力的平衡。你认为悬浮的上皮单分子层会形成孔吗?

孔洞的出现大多出现在组织处于张力下的柔软表面。更具体地说,它出现在较大的应力波动和拉应力区域(例如拓扑缺陷的拉应力区域)。让单层膜悬浮并处于张力下,应该会导致孔开口。看这个视频(Vedula et al。《自然材料》2014年的电影1)展示了悬浮的多细胞桥的形成,这正是正在发生的。

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