コラーゲンアガロースマトリックスを使用した3次元培養における細胞機械生物学の調査

細胞外マトリックス（ECM）の生物物理学的特性によって細胞の挙動がどのように制御されるかの研究は、天然のECMタンパク質の生体機能性と合成材料の調整性を組み合わせた3次元（3D）足場の欠如によって部分的に制限されています。ここでは、コラーゲンIの生物物理学的特性がアガロースを添加することにより徐々に変化する生体材料プラットフォームを導入します。アガロースは、コラーゲン繊維組織にわずかな影響を及ぼし、3DコラーゲンECMの弾力性を2桁にわたって増加させることがわかります。驚くべきことに、アガロース含有量の増加は遅くなり、最終的には3Dスフェロイドモデルで神経膠腫細胞の侵入を止めます。電子顕微鏡では、アガロースがコラーゲン繊維の間に密なメッシュワークを形成することを明らかにしています。これは、コラーゲン繊維を構造的に結合して強化し、運動性に立体障壁を導入することで浸潤を遅らせると仮定します。これは、個々の神経膠腫細胞と多細胞スフェロイドの時間経過イメージングによってサポートされています。これは、アガロースの添加がアメーバの運動性を促進し、個々のコラーゲン繊維の細胞媒介リモデリングを制限することを示しています。我々の結果は、アガロースが個々のコラーゲン繊維の非アフィン変形から連続体ネットワークのバルクアフィン変形に細胞誘導ストレスのECM散逸をシフトするモデルと一致しています。

The study of how cell behavior is controlled by the biophysical properties of the extracellular matrix (ECM) is limited in part by the lack of three-dimensional (3D) scaffolds that combine the biofunctionality of native ECM proteins with the tunability of synthetic materials. Here, we introduce a biomaterial platform in which the biophysical properties of collagen I are progressively altered by adding agarose. We find that agarose increases the elasticity of 3D collagen ECMs over two orders of magnitude with modest effect on collagen fiber organization. Surprisingly, increasing the agarose content slows and eventually stops invasion of glioma cells in a 3D spheroid model. Electron microscopy reveals that agarose forms a dense meshwork between the collagen fibers, which we postulate slows invasion by structurally coupling and reinforcing the collagen fibers and introducing steric barriers to motility. This is supported by time lapse imaging of individual glioma cells and multicellular spheroids, which shows that addition of agarose promotes amoeboid motility and restricts cell-mediated remodeling of individual collagen fibers. Our results are consistent with a model in which agarose shifts ECM dissipation of cell-induced stresses from non-affine deformation of individual collagen fibers to bulk-affine deformation of a continuum network.