細胞のひずみ硬化が埋め込みスフェロイドからの細胞の分離を促進する

科学分野:

• 生物物理学
• 細胞力学
• 計算生物学

背景:

• スフェロイドからの細胞の脱出は、組織の発達および疾患の理解にとって重要である。
• 既存のモデルには、細胞内、細胞間、および細胞-細胞外マトリックス（ECM）応力を結びつける詳細な機械的フレームワークが欠けている。

研究 の 目的:

• スフェロイド内の細胞レベルの応力を定量化するための3D機械的フレームワークを開発すること。
• 細胞の力学、スフェロイドの特性、および浸潤モードの関係を調査すること。

主な方法:

• スフェロイドの3D頂点モデルと線維状ECMネットワークを結合させた。
• 変形可能な多面体細胞の3Dコーシー応力テンソルを導出した。
• 調整可能な細胞間接着ばねを備えた拡張3D頂点モデルを導入した。

主要な成果:

• 直接的な3D細胞レベルの応力定量化のためのフレームワークを開発した。
• 固体のようなスフェロイドはより広い応力分布を示し、流体のようなスフェロイドはより低く無秩序な応力を示す。
• 単一細胞のひずみ硬化、すなわち伸長がせん断応力を非線形に増加させることを実証した。
• 単一細胞の分離（ひずみ硬化＋接着低下）および多細胞ストリーミング（異方性接着）の機械的条件を特定した。

結論:

• 細胞形状の異方性は、機械的状態の信頼できる指標ではない。
• 単一細胞レベルでのひずみ硬化は、マトリックスのリモデリングと浸潤を駆動することができる。
• 細胞ひずみ、応力増幅、および接着を含む明確な機械的経路が、スフェロイド浸潤モードを支配する。