在微图案上模拟细胞形状和动力学

心灰意冷437

一、介绍

在过去的2年中，细胞形状和力量等物理特征已成为细胞命运的决定因素，与生化和遗传因素同样重要。
研究表明，细胞不仅需要营养和生长因子来生存和生长，还需要一定程度的空间延伸和力量产生。动物组织中的大多数细胞在基质和相邻细胞提供定义边界条件的环境中生长，从而形成规则的细胞形状。


然而，为了详细研究动物细胞，它们通常在二维基质上的细胞培养物中生长。与组织相比，细胞培养的低维度使得细胞成像更容易，如果没有二维环境提供的简化，许多定量实验是不可能的。


与物理学一样，在第一个细胞培养系统建立后，降低自由度和在受控条件下研究系统成为细胞生物学的一个组成部分。
然而，另一方面，细胞可以对环境的变化做出非常敏感的反应，去除基质和相邻细胞在三维组织中施加的限制和边界条件，并在细胞培养中研究它们，通常会导致细胞显示出各种各样的尺寸和形状。
如果没有适当的标记，识别细胞之间的边界或确定其大小通常非常具有挑战性，由于细胞培养中细胞形状的固有变异性，具有结构相关读数的实验，例如肌动蛋白细胞骨架的空间组织或细胞器的空间分布，因此难以量化。
通过研究从复杂组织环境中提取的细胞进行的初始简化在涉及形状和结构相关的读数时被证明是一个缺点。


通过微图案（MP）和细胞外基质（ECM）控制细胞粘附，可以在细胞培养中施加边界条件，因此恢复控制其形状和结构的能力。
存在不同的制造技术来制造微图案（MP），例如二维和三维，用于动态可调的微图案（MP）和弹性基材上的 微图案（MP）。
微模式可以精确控制细胞粘附的位置和方式，与微图案（MP）的开创性工作表明，除了提供给细胞的ECM配体量外，其空间分布对细胞存活也很重要。
例如，将相同数量的ECM配体沉积为分布的小点而不是一个连接的岛更有利于细胞存活，对细胞形状的精确控制可以最大限度地减少生物系统固有的变化。


在微图案（MP）阵列上接种细胞可产生非常均匀的细胞形状，在本例中，对细胞进行肌动蛋白染色。对齐和平均所有细胞揭示了肌动蛋白在细胞外围的强烈定位，特别是非粘附区域上方的凹陷区域。


这种方法类似于物理学中经常用于描述波动系统中平均值的平均场描述。一旦建立了这个参考系统，就可以开始测量与平均值的偏差。
微图案（MP）用途广泛，应用广泛相关形式和功能的细胞，它们也是研究特定环境中微管和肌动蛋白生长的非常有用的工具。
关于建模方法，特别感兴趣的是粘合几何形状对细胞骨架的影响，细胞极化，内膜组织和牵引力。
它们还被用于研究粘合剂几何形状如何影响细胞分裂过程中有丝分裂纺锤体的方向。


微图案（MP）上的细胞迁移也得到了广泛的研究，包括棘轮单细胞迁移的偏差小型多细胞系统的几何形状和持续旋转运动。
还研究了几何形状对较大的多细胞系统（如细胞单层）的集体行为的影响， 发现细胞将图案边缘的对齐传播到数百微米的图案中。
可移动屏障用于伤口愈合测定，以研究领导细胞的形成发现在高曲率区域增加，可移动屏障方法还与定义的粘合剂几何形状相结合，以研究细胞迁移到不同宽度的通道中，桥梁形成以及非粘附区域上方的伤口闭合。
这些例子表明，研究细胞的微模式会产生大量的定量数据。然而，为了理解这些数据，人们需要开发适当的概念和数学模型。
在过去的几十年中，人们非常关注通过模型了解细胞粘附，形状，功能和动力学之间的相互作用。
本综述的重点是模型如何从微图案（MP）提供的简化中受益，以及它们如何有助于我们对细胞力学的理解。
二、静态细胞形状模型



微图案（MP）上的单个细胞往往变得非常平坦，只有细胞核伸入第三维，只要细胞核在正在解决的生物学问题中没有发挥重要作用，因此从细胞形状的二维描述开始是合适的。
最简单的方法是关注其轮廓的形状。我们首先使用凹MP的非粘附区域上方的细胞扩散作为指导性示例来讨论这种方法。
这种内陷形状持续在点图案上，其中肌动蛋白再次强烈定位于内陷轮廓，内陷的形状是在肌动蛋白细胞骨架中产生的收缩力的结果。
膜下的肌动蛋白皮层将轮廓向内拉，而细胞外围形成的应力纤维抵抗收缩并将轮廓向外拉。


由此产生的电弧是圆形的，确切的圆形可以根据不同的张力来理解，这类似于拉普拉斯定律解释的肥皂泡的球形形状。
对于肥皂泡，作用在膜中的表面张力试图最小化其表面积，并通过内部压力进行平衡，拉普拉斯定律 R = 2σ/p 描述了表面张力σ、肥皂半径 R 和压力 p 之间的关系。
当这个概念在二维中应用时，表面张力被线张力λ代替，压力被表面张力σ取代。
对于恒定的线张力，半径由R = λ/σ给出，请注意，2 的因子消失了，因为我们现在在 2 维而不是 3 维中工作，并且与肥皂泡相反，现在这种情况只有在我们存在粘附位点的情况下才会稳定，以便 2 个张力可以相互对抗。


这个简单的张力模型表明，圆弧的出现是因为线和表面张力都是恒定的，非圆形只能通过空间可变张力或表面张力不垂直于轮廓来实现。
对弧半径的详细定量分析揭示了锚点之间距离d的相关性，这是简单的张力模型无法解释的。
然而，这可以通过轮廓中的弹性拉伸对线张力的额外贡献来解释（拉伸-弹性模型）。


这种线张力取决于通过轮廓长度的d，但对于任何给定的d都是恒定的，因此再次导致圆弧。连接点间距较远的弧具有更高的线张力，使其半径更大。
三、动态细胞形状模型

（A）蜂窝Potts模型中基于二维晶格的单元表示，具有相同自旋标签（由数字和颜色表示）的所有晶格位点都属于一个单元格，细胞周围的培养基用0标记。
（B）组织的顶点模型表示。边缘包围的每个面代表一个单元格，边通常在 3 折顶点中相遇，单元格的颜色对相邻要素的数量进行编码。


（C）角质细胞的相场模型表示，相场Φ描述了一个不断演变的轮廓，单元格内部的字段等于 Φ = 1，外部的字段等于 Φ = 0，单元格边界为 Φ = 1/2。，穿过单元格的切口在图的下部可视化。

动态模型在行动


（A）由CPM描述的角质细胞向右爬行，迁移由在细胞定义的结构域中求解的小G蛋白的反应扩散系统驱动，颜色表示Arp2/3浓度，在前缘达到最大值。
（B）角质细胞向右爬行的相场模型描述。颜色表示相场的值，范围从单元格内的 1 到单元格外部的 0，箭头表示肌动蛋白方向字段。
（C） 用 CPM 表示的 U 形图案上的单元格，凹边处的圆形轮廓由圆圈表示。
（D） 用 CPM 预测的 U 形图案牵引力，在顶角处，横跨非粘附区域的肌动蛋白应力纤维粘附在基材上并增加牵引力的力更高。



微图案网络上的细胞形状


孤立微图案的原理图，最初悬浮在培养基中的球形细胞与基材接触并附着在粘合微图案上（顶部）。
不接触图案的细胞死亡，接触的细胞分布在图案上，微图案使细胞形状（中间）标准化，细胞开始分裂，与遥远的相邻模式有2个细胞卡在一个岛上（底部）。



归一化停止，细胞对可能开始旋转或振荡，并且细胞可能处于不利状态，因为它们的面积太小而无法扩散。微图案网络，在此图中，细胞接触并粘附（顶部），它们的形状被归一化（中间）。



细胞分裂后，子细胞可以迁移到相邻模式，细胞相互粘附，但即使在细胞分裂后仍保持正常化。海拉细胞在蜂窝图案上的实验实现。细胞分布在几种图案中，接触的细胞可以桥接大面积的非粘附区域，蜂窝布局未对细胞进行归一化。
（D）蜂窝网络上的CPM模拟，就像在实验中一样，细胞最初分布在几种模式上并迁移到相邻的模式。接触的细胞扩散到非粘附区域上方。因此，蜂窝布局确实没有对细胞形状进行归一化。


当涉及到凹形细胞的细胞面积时，表面和线张力是拮抗剂，通过肌球蛋白抑制减少它们表明弧半径可以减小（线张力松弛更强）或增加（表面张力松弛更强）取决于实验细节。
简单的拉伸和拉伸-弹性模型不仅可以解释细胞形状，还可以解释牵引力。将MP方法与牵引力测量相结合，可以量化肌球蛋白抑制期间的表面和线张力，并支持对线张力的弹性贡献的想法。
简单的张力和张力-弹性模型是最简单的模型类型，因为它们只考虑细胞的轮廓，在下一个更高层次的描述中，人们希望包括力产生单元内部的细节。


例如，这是通过收缩网络模型实现的，这些网络中的链接被假定为肌动蛋白丝的收缩束。
要获得具有圆弧的单元格，链接必须满足 2 个条件，首先，他们需要对长度变化做出不对称的反应。


压缩时，它们需要弯曲，伸展时，它们需要表现得像胡克弹簧，其次，肌动肌肽的收缩力需要用邻居之间的持续拉力来描述。
然后，对拉弹性模型的预测与该主动收缩电缆模型吻合较好。令人惊讶的是，确切的网络架构与这些结果无关。
通过恒定拉力来描述收缩性的另一种方法是将链节视为休眠长度减小的胡克弹簧。


然而，这些无源电缆网络导致平坦的非圆形轮廓，如果将连杆视为压缩下的胡克弹簧，则压缩能量会积聚在整体中，并且不会再次出现圆形轮廓。
四、结论

网络模型不仅限于MP，它们还可以应用于连续粘合基材上的细胞，但这需要了解粘附位点和应力纤维的空间排列，将来，这些模型可能会与更详细的收缩网络模型相结合。
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