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.2008年10月；95(8):4013-24.
doi:10.1529/biophysj.107.122598。 Epub 2008年7月11日。

三维支架的微结构通过连接相互作用影响细胞迁移行为

布伦丹A C哈雷 1, Hyung-Do Kim先生, 穆罕默德·扎曼, Ioannis V Yannas公司, 道格拉斯·劳芬伯格, 洛娜·J·吉布森
附属公司

三维支架的微结构通过连接相互作用影响细胞迁移行为

布伦丹A C哈雷等。 生物物理学J. 2008年10月.

摘要

细胞迁移在多种生理和病理现象以及基于支架的组织工程中起着关键作用。细胞迁移行为受生化刺激和细胞相互作用的控制。与细胞与其周围细胞外基质相互作用相关的生物物理过程也可能在调节迁移中发挥重要作用。虽然二维底物的生物物理特性已被证明对细胞迁移有显著影响，但阐明三维环境中控制迁移的因素是一个相对较新的研究途径。在这里，我们研究了胶原蛋白-糖胺聚糖支架的三维微观结构，特别是孔径和杨氏模量对单个小鼠成纤维细胞迁移行为的影响。我们观察到，成纤维细胞的迁移，以运动分数和运动速度为特征，在90至150μm的范围内，随着支架孔径的增加而减少。直接测试不同支杆杨氏模量对细胞运动的影响表明，细胞速度与支杆模量之间存在双相关系，也表明力学因素与支架孔径对细胞运动所观察到的影响无关。相反，对细胞运动路径的深入分析表明，支架支柱之间连接点的分布强烈调节运动。Strut-junction相互作用影响局部方向持续性以及细胞在连接处和远离连接处的速度，为细胞外微结构调控细胞运动提供了一种新的生物物理机制。

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图1
图1
在三维多孔CG支架中稀疏种植NR6成纤维细胞。(A类)CG支架多孔微结构的三维共焦显微照片(红色)接种标记的NR6细胞(绿色). 注意，支架的孔径明显大于NR6成纤维细胞的尺寸。(B类)xy公司和x赫兹投影(顶部和底部框在CG支架中迁移期间跟踪的单个细胞。通过3D延时共焦显微镜捕获图像后(左边)，计算荧光NR6细胞的质心(中心)和生成的单个单元格轨迹(正确的). 单元格轨迹是从蓝色到白色的颜色映射，表示移动的开始到结束。所示CG支架的平均孔径为96μm，3D图像尺寸为364×246×100μ米。
图2
图2
随着平均支架孔径的增大，细胞迁移行为降低。NR6细胞在具有四种不同平均支架孔径（96–151）的CG支架中迁移的轨迹μm） 使用3D延时共焦显微镜进行测定。(A类)随机选择的单元格轨迹（40/条件）的三维风阻图以图形方式表示了从其起点开始的平均单元格离散度。从左到右，随着支架平均孔径的增大，分散度降低。(B类)根据平均支架孔径绘制三个生物样品中测定为活动细胞的分数（见材料和方法）。跟踪的单元格总数，N个=163、203、229和131。(C类)确定为能动的每个单个细胞的细胞速度的方框和胡须图（图2B类). 将数据集的平均误差和标准误差绘制为摘要(正确的). 从左到右，N个分别=50、73、94和90。统计显著性（*，**：第页<0.05）通过非正态分布数据集的成对Kolmogorov-Smirnov检验确定。
图3
图3
细胞迁移速度和CG支架支柱模量之间存在微妙的双相关系；孔径依赖于细胞速度的变化不能用支架支柱弯曲刚度的变化来解释。(A类)CG支架的十二面体单元模型。对于一系列相对密度恒定、孔径较大的支架，d日1(左边)，所展示的支柱比孔径较小的支架更长、更厚，d日2(正确的). 更长/更厚的支柱具有更大的抗弯刚度(E类秒×我)与较短/较薄的支柱相比，在恒定的电池施加的牵引力下，变形较小。如果支柱发生变化E类秒×我解释了孔径依赖性对细胞运动的影响，细胞速度预计会随着支柱模量的增加而降低。(B类)NR6细胞在具有恒定微观结构（孔径96）的支架中迁移的平均速度μm） 但支柱模数不同（由于支柱变化而在相同范围内E类秒×我)通过盒子和胡须显示(左边)和平均值±SE(正确的)图。从左到右，N个分别为116、188、191和79。与随着模量增加而降低细胞速度的概念不同，正如预测的那样，如果孔径依赖性对运动的影响是由于支柱的变化所致E类秒×我细胞速度和基质模量之间存在微妙的双相关系。统计显著性(*第页<0.005）通过非正态分布数据集的成对Kolmogorov-Smirnov检验确定。
图4
图4
细胞迁移似乎受到支架微观结构中支柱连接的影响。(A类)根据连接间距重新标记单元速度(左边)和结密度(正确的)，由十四面体单元模型计算的孔径相关参数。(B类)根据PRW模型计算单个细胞在不同孔径支架中迁移的持续时间；对于支柱连接密度降低（支柱连接间距增加）的支架，观察到细胞的持续时间增加。（C） 细胞转向被归类为短而不稳定的运动，表明细胞在连接处迁移。对于每个不同的细胞轨迹，确定了转向所花费的时间，而不是定向移动所花的时间，并根据迁移所花费的总时间进行了标准化。观察到，随着孔径的增大（支柱连接密度降低，支柱连接之间的距离增加），细胞转动的时间比例显著降低。所有数据均显示为平均值±SE。统计显著性（*：第页< 0.05; **:第页<0.02）由非正态分布数据集的成对Kolmogorov-Smirnov检验确定。
图5
图5
细胞迁移速度受支撑连接的存在显著影响。在细胞所花费的时间段内，在每个细胞轨道内确定平均迁移速度(A类)定向迁移（“直线”，沿支柱迁移）与(B类)不稳定地迁移（“转向”，在支柱连接处迁移）。在沿着支柱或连接处迁移的细胞上观察到孔径依赖性效应；观察到，随着孔径的增大，细胞迁移速度变慢（支柱连接密度降低，连接之间的距离增加）。(C类)汇总的平均值±SE图A类和B类。无论支架孔大小如何，细胞沿支柱的迁移速度明显快于支柱连接处的迁移速度，这表明支柱连接在通过3D原纤维ECM结构调节细胞运动方面起着关键作用。
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