マトリックスの剛性と接着パターンによる細胞機能の相乗的調節

細胞電気行列（ECM）相互作用は、細胞の挙動の調節に重要な役割を果たします。細胞-ECM相互作用の最近の研究は、主にアクトミオシンベースのメカノセンシング経路に主に焦点を当てており、細胞微小環境の個々の機械的信号（マトリックスの剛性や接着ECMパターン）が、細胞によって感知され、下流の下流シグナルカスカデスと細胞応答がさらにトリガーされています。ただし、マトリックスの剛性と接着型ECMパターンによる細胞挙動の相乗的および集合的な調節は、まだとらえどころがなく、ほとんど特徴がありません。ここでは、マイクロファブリケート化ポリジメチルシロキサン（PDMS）マイクロポストアレイのライブラリーを生成して、NIH/3T3線維芽細胞とヒト臍静脈内皮細胞の両方のメカノレスペンシーブ挙動におけるマトリックス剛性と接着ECMパターンの相乗的および独立した効果を研究しました（Huvecs）。両方の細胞タイプが機械感受性とその細胞拡散、FA形成、細胞骨格収縮性、および増殖がすべて基質の剛性と接着ECMパターンの両方に強く依存していることを示しました。さらに、同じ基質の剛性条件下では、より小さく密接な接着型ECM島が両方の細胞がより多く拡大し、より多くの接着構造を形成し、増殖率が高いことを示しました。剛性媒介細胞骨格収縮性に対する接着型ECMパターンの影響は、細胞型特異的であり、NIH/3T3でのみ有意でした。細胞集団の形態計測分析により、基質の剛性と接着ECMパターンに関係なく、焦点接着と細胞拡散の間の強い相関が明らかになりました。また、細胞牽引力と細胞拡散の間に強い相関関係が観察され、牽引力に対する基質剛性の実質的には独立した効果がありました。ここでの私たちの研究では、基質剛性と接着ECMパターンの独立した集合的な変化に対する接着細胞の生体力学的応答の重要な側面を決定しました。

Cell-extracellular matrix (ECM) interactions play a critical role in regulating cellular behaviors. Recent studies of cell-ECM interactions have mainly focused on the actomyosin based and adhesion mediated mechanosensing pathways to understand how individual mechanical signals in the cell microenvironment, such as matrix rigidity and adhesive ECM pattern, are sensed by the cell and further trigger downstream intracellular signaling cascades and cellular responses. However, synergistic and collective regulation of cellular behaviors by matrix rigidity and adhesive ECM pattern are still elusive and largely uncharacterized. Here, we generated a library of microfabricated polydimethylsiloxane (PDMS) micropost arrays to study the synergistic and independent effects of matrix rigidity and adhesive ECM pattern on mechanoresponsive behaviors of both NIH/3T3 fibroblasts and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). We showed that both cell types were mechanosensitive and their cell spreading, FA formation, cytoskeletal contractility, and proliferation were all strongly dependent on both substrate rigidity and adhesive ECM pattern. We further showed that under the same substrate rigidity condition, smaller and closer adhesive ECM islands would cause both cells to spread out more, form more adhesion structures, and have a higher proliferation rate. The influence of adhesive ECM pattern on rigidity-mediated cytoskeletal contractility was cell type specific and was only significant for NIH/3T3. Morphometric analysis of cell populations revealed a strong correlation between focal adhesion and cell spreading, regardless of substrate rigidity and adhesive ECM pattern. We also observed a strong correlation between cellular traction force and cell spreading, with a substantially smaller independent effect of substrate rigidity on traction force. Our study here had determined key aspects of the biomechanical responses of adherent cells to independent and collective changes of substrate rigidity and adhesive ECM pattern.