物理的に現実的なフィブリル力学を使用して、エージェントベースのモデリングトラクション媒介力媒介コンパクションを介した細胞人口コラーゲンゲルの圧縮

エージェントベースのモデリングを使用して、Hookean Springsとして機能するリンクによって連続的に接続された一連のノードで構成されるコラーゲンフィブリルをモデル化しました。曲げメカニズムは、3つの連続接続されたノードの各セットに作用するねじりスプリングとして実装され、中央ノードに関する角度偏向の線形関数として機能します。これらのフィブリルは、軸方向の伸長、単純な3点曲げ、およびエンドロードされたカンチレバーをシミュレートした条件下で評価されました。軸方向負荷下でのフィブリルの変形は、直線的に弾性フィブリルの分析溶液から<0.001％<0.001％変化しました。小さな偏向を経験する長さ100μm〜200μmのフィブリルの場合、シミュレートされたたわみとその分析溶液の違いは、3点曲げを経験するフィブリルで1％未満であり、カンチルーバーの曲げを経験するフィブリルでは7％未満でした。フィブリルメカニクスのこれらの新しいルールが、ネットワークを形成して細胞牽引力の適用を形成するためにフィブリルの架橋を可能にするモデルに導入されたとき、繊維状ネットワークは巨視的な圧縮を受け、細胞間で整列しました。さらに、フィブリル密度は、細胞間で肉眼で観察されたものよりも細胞間で大幅に増加し、細胞人口のコラーゲンゲルで実験的に観察されたマトリックトラックと同様に見えました。この動作は、フィブリル力学の物理的に現実的なシミュレーションを許可しなかったモデルの以前のバージョンの観察と一致しています。次に、ねじれスプリング定数値の重要性を調査して、シミュレートされた繊維状ネットワークのリモデリングへの影響を決定しました。より強力なねじれ春定数は発生した定量的リモデリングの程度を減少させましたが、モデルにモデルにねじれスプリングを含める必要はありませんでしたが、モデルがリモデリングの重要な定性的側面を再現する必要はありませんでした。これらの結果は、牽引力媒介マトリックスリモデリングが、正確な一連の材料特性を持つフィブリルに限定されない堅牢な現象である可能性を示唆しています。

Agent-based modeling was used to model collagen fibrils, composed of a string of nodes serially connected by links that act as Hookean springs. Bending mechanics are implemented as torsional springs that act upon each set of three serially connected nodes as a linear function of angular deflection about the central node. These fibrils were evaluated under conditions that simulated axial extension, simple three-point bending and an end-loaded cantilever. The deformation of fibrils under axial loading varied &lt;0.001% from the analytical solution for linearly elastic fibrils. For fibrils between 100 μm and 200 μm in length experiencing small deflections, differences between simulated deflections and their analytical solutions were &lt;1% for fibrils experiencing three-point bending and &lt;7% for fibrils experiencing cantilever bending. When these new rules for fibril mechanics were introduced into a model that allowed for cross-linking of fibrils to form a network and the application of cell traction force, the fibrous network underwent macroscopic compaction and aligned between cells. Further, fibril density increased between cells to a greater extent than that observed macroscopically and appeared similar to matrical tracks that have been observed experimentally in cell-populated collagen gels. This behavior is consistent with observations in previous versions of the model that did not allow for the physically realistic simulation of fibril mechanics. The significance of the torsional spring constant value was then explored to determine its impact on remodeling of the simulated fibrous network. Although a stronger torsional spring constant reduced the degree of quantitative remodeling that occurred, the inclusion of torsional springs in the model was not necessary for the model to reproduce key qualitative aspects of remodeling, indicating that the presence of Hookean springs is essential for this behavior. These results suggest that traction force mediated matrix remodeling may be a robust phenomenon not limited to fibrils with a precise set of material properties.