Mechanical as well as chemical stimulations are considered as critical factors on cell behaviors. To understand the effects of mechanical stimuli on cells, many researchers have developed either single cell compression devices to locally stimulate cells and to measure mechanical properties of cells, or compression chambers or bioreactors to apply global compressive pressure on cells. However, none of these previously developed devices are suitable to investigate the cell-cell communications amongst cells upon mechanical stimulation. To accomplish this experimental need, we developed a new cellular compression device using soft-lithography techniques. We fabricated the chamber with transparent Poly-carbonate, which consists of two sections, a self-contained cell incubator and an air chamber, separated by a PDMS membrane. On an incubator side of this PDMS divider, we attach a patterned PDMS sheet of micro poles mounted on a glass to ensure a uniform displacement of the array of poles to stimulate cells when the air chamber is pressurized. The cell incubator chamber is filled with media and connected to a self contained incubation system to supply fresh culture media provide stable culture environment during the experiments. The operating power is an air pressure applied on the air chamber side of the PDMS membrane. By controlling the air pressure using PID controller, this device can stimulate cells in cyclic or continuous conditions. Also as cells are cultured in a form of single layer, it allows us to investigate cell-cell communications amongst cells that are under stimulated or non-stimulated conditions. Using this noble device, we applied compressive stimulation on keratinocytes, which are mechano-sensitive skin epidermal cells. Cellular responses upon compressive stimulation have been investigated in the manner of cell migration, cytoskeleton remodeling and cell proliferation and differentiation. Mechanical compression affects to focal adhesion via changing paxillin focal adhesion protein expression. Keratin 6 intermediate filaments as mechanical support have been rearranged while actin filaments are weakened. Keratin 10 as keratinocyte differentiation marker is increased under long time stimulation condition. These results indicate compression can be one of the cell differentiation factors.
피부 세포는 신체 외부와 내부를 나누며 여러 가지 물질의 통행을 조절하고 기계적인 자극을 받고 신호를 전달하는 등의 복잡한 기능을 수행하고 있다. 이러한 피부의 표피세포는 신체의 움직임에 의한 압축응력과 전단응력 등의 다양한 기계적 자극에 노출되어 있으며 이러한 기계적인 자극은 표피세포의 분화 및 신호전달과 물질 이동 조절에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그러므로 본 연구는 원하는 압축응력을 세포에 가할 수 있는 장비를 개발하고, 그에 따른 세포의 구조와 기능의 변화를 관찰하고 해석하는 것을 목표로 한다. 우선적인 장비의 개발 및 검증을 위하여 유한 요소법을 이용한 시뮬레이션을 통하여 일정한 압력분포의 자극을 세포에 가할 수 있음을 검증하고, 압력 센서를 통하여 실제로 세포에 주어지는 힘을 측정하였다. 또한 세포가 자라나는 세포외골격에 해당하는 바닥 면의 단백질 막의 종류에 따른 세포의 반응을 관찰하고 적합한 단백질을 결정함과 동시에 장비내부의 세포 적응을 위한 배양 시간 등을 결정하여 최적의 조건을 결정하였다. 마지막으로 세포의 용해 실험을 통하여 실제 실험에서 원하는 부분의 국소적인 압축응력을 배양된 세포에 줄 수 있음을 보여줌으로써 장비의 검증을 완료하였다. 이리하여 개발된 장비를 통하여 세포에 기계적인 압축응력을 가하고 그에 따른 반응을 보기 위하여 세포 내 골격 Keratin 6의 재배열과 세포 국소 부착 단백질인 paxillin 의 변화를 관찰하였다. 또한 피부각질세포의 분화를 보기 위한 Keratin 10 단백질과 세포분열을 관찰하기 위한 Ki67 단백질이 실험에 이용되었다. 이러한 실험을 통하여 일정한 크기의 압축응력은 세포 국소 부착 단백질의 발현을 변화시키며 세포에 주어지는 기계적인 인장자극을 이겨내기 위한 중간 세사 인 keratin 6단백질의 발현을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 일련의 실험들에서 세포에 압축응력을 가할 수 있는 시스템을 완성하였으며 압축응력이 세포의 구조와 기능에 다각도로 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 앞으로 압축응력을 독립적인 실험환경에서 제공할 수 있는 시스템을 제작하여 실시간 실험 측정이 가능한 장비를 개발하고, 압축 응력을 미세하게 조절할 수 있는 컨트롤러를 제작하여 동적인 압축자극을 가할 수 있도록 장비를 개선할 계획이다. 그 과정에서 다양한 조건에서의 압축자극이 세포에 미치는 영향에 관한 연구가 다각도로 진행되어야 할 것이다.
