Cell migration plays an important role in physiological and pathological process $\;t{in vivo}$. It has been reported that cell are exposed to various mechanical forces including tensile, compressive, shear and electrical stresses, and these various external stimulus have an influence on regulating or inducing dynamic cellular responses through mechanotransduction pathway. Therefore, it is necessary to understand the dynamic behavior of cells under the effects of physical stimulation.
The objectives of this study is to investigate the effects of shear and electrical stresses on the dynamic behavior of different types of breast cells, MCF-10A (normal), MCF-7 (non-metastatic cancer cells), and MDA-MB-231 (metastatic cancer cells) because breast epithelial cells are exposed to interstitial flow with a minimal shear stress and transepithelial electrical potential difference. We first develop a self-contained incubation system with a parallel plate shear stress and E-field induction chamber. Under various flow and E -field conditions, the dynamic responses of three different cell types are investigated in real-time. Besides, a possible factor which relates to force induced cell motility is studied by depleting external calcium supplement.
This study will help us to understand the fundamental mechanisms underlying shear and electrical stimulation induced breast cell behavior.
유선상피 세포는 유선의 안쪽 면을 한 겹으로 형성하고 있고, 세포를 둘러싼 간질액 (interstitial fluid)에 의한 작은 전단응력과 상피 면을 관통하는 막 전위차 (transepithelial potential difference)에 노출되어 있다. 따라서 본 연구는 세포의 생장에 적합한 환경을 제공하면서, 3차원 전산유체해석기법을 통하여 원하는 전단응력과 더불어 전기적 자극을 가할 수 있는 장비를 설계 제작하고 위 두 가지의 외부자극에 의한 정상 유선상피세포, 비전이성, 그리고 전이성 유선상피 암세포의 유동을 관찰하는 것을 목표로 실험을 진행하였다. 모든 실험에서 전이성 암세포는 통계적으로 의미 있는 결과를 보이지 못했다. 세포 특성상 단층으로 배양되지 못하고 그 움직임이 굉장히 활발하기 때문에 각 결과에서 오차가 상당히 발생하였다. 따라서, 전이성 유방암세포의 경우는 단층 보다 단일 세포를 대상으로 실험이 진행되어야 할 것이다. 먼저 3 $dyne/cm^2$의 전단응력의 조건 하에서 정상세포와 비전이성 암세포는 유체의 유동방향을 거슬러 반대로 이동하지만, 전이성 암세포는 유체와 같은 방향으로의 움직임을 관찰할 수 있었다. 특별히 5, 8 $dyne/cm^2$ 전단응력은 위 결과와 반대로 정상세포를 유체와 같은 방향으로, 그리고 그 크기가 클 수록 더 많이 움직이도록 유도하였다. 전단응력에 의해 변화되는 각 유선 세포들의 운동성을 분석하기 위해 혈관내피세포의 운동에 관여하는 칼슘이온의 관련 여부를 알아보았다. 세포 배양액의 칼슘이온을 제거하여 외부로부터의 유입을 방해하자 전단응력이 없을 때의 정상세포 움직임은 별 차이를 보이지 않았지만 3 $dyne/cm^2$ 자극에서는 그 운동성이 감소하였다. 이는 전단응력의 조건에서 외부칼슘의 유입이 정상세포의 움직임과 관련이 있음을 시사하고, 특별히 칼슘을 내부로 받아들이는 칼슘채널이 외부 자극에 의해 활성화 된다는 것을 의미한다. 전이성 암세포의 운동성 역시 외부칼슘의 제거로 인해 감소하지만 여전히 큰 수치의 오차를 보여 이 결과가 확실한 것인지 확인할 수 없었다. 다음으로, 1 V/cm의 직류 전기장을 가하자 정상세포와 전이성 세포는 양극으로, 비 전이성 세포는 양극으로 향하는 움직임을 보였다. 외부 전기자극에 의한 세포의 이동에도 역시 외부 칼슘의 유입 또는 내부 칼슘의 분비 증가가 중요한 요소로 알려져 있기 때문에, 위와 같이 외부 칼슘을 제거하고 전기자극에 의한 세포의 움직임을 살펴 보았다. 전단응력과는 반대로 정상세포와 전이성 암세포 모두 이동방향과 속도에 영향을 받지 않았다. 이는 전기자극 하에서 칼슘이 위 세포들의 운동성에 영향을 주지 않는 것이라고 보기보다는 자극으로 인한 내부 칼슘의 분비 증가의 가능성을 제시할 수 있다. 따라서 실제 자극조건에서 칼슘의 발현을 살펴보기 위한 실시간 이미징이 필요하다. 본 연구를 통해 실제 유선상피 세포들에 작용하는 전단응력과 전기적 자극 조건을 형성함으로 세포들의 다양한 운동성을 관찰할 수 있었다. 특별히 유선상피 암세포는 전이성이 매우 강하여 그 운동성과 이에 관여하는 내부 신호체계에 대한 다양한 연구가 필요하다. 보다 다양한 조건의 실험과 해석을 통해 세포 이동성의 기본적인 정보로 사용되기를 기대해 본다.
