细胞形状与趋硬性行为源于力学性细胞-基底互易及黏着斑动力学：一个统一数学模型

许多动物细胞会依据所培养基底的刚度改变其形状：在软 ECM 中呈小而圆的形状，在较硬 ECM 中伸长，并在硬质基底上铺展变平。细胞倾向于偏好基底较硬的部分，这一现象称为趋硬性（durotaxis）。此类对 ECM 力学的机械敏感响应是理解生物组织受机械信号调控的关键，例如发生于血管生成以及肌肉与肌腱中细胞排列时。尽管已明确机械性细胞-ECM 相互作用由黏着斑（将细胞骨架连接至基底的机械敏感分子复合物）介导，但黏着斑的刚度依赖性动力学如何最终产生所观测到的基底刚度与细胞形状及细胞行为之间的相互依存关系仍知之甚少。在此我们表明，单个黏着斑的机械敏感行为、细胞收缩性与基底黏附性三者共同足以解释所观测到的细胞刚度依赖性行为。我们引入一个基于以下假设的多尺度计算模型：（1）细胞通过黏着斑向基底施力；（2）这些黏着斑因这些力而生长并稳定；（3）在给定时间间隔内，由于达到力学平衡所需时间，黏着斑在软基底上所受的力低于较硬基底上的力；（4）较小的黏着斑比较大的黏着斑更容易从基底上被拉脱。我们的模型将用于细胞的细胞 Potts 模型与用于基底的有限元模型相结合，并用微分方程描述每个黏着斑。这些假设共同为响应基底力学的细胞铺展、细胞伸长与趋硬性提供了一个统一模型。