Cell migration plays an important role in physiological and pathological processes in vivo. It has been reported that cells, including skin cells in epidermis and dermis, endothelial cells lining the vessels, and epithelial cells in the mammary glands, are exposed to various mechanical forces such as tensile, compression, shear and electrical stimulation in daily activity. These external stimuli have influence on regulating dynamic cellular responses through mechanotransduction pathways. While extensive studies have been reported on the effects of adhesive proteins and mechanical forces on cellular motility, little is known about how cellular motility is affected by the mechanical properties of their physiological environment. The objective of this study is to investigate the effect of substrate stiffness, ECM protein type, ROCK inhibition and directional force cue on the motility, morphology, spreading area, and shape index of cells. Our results show the stiffness dependent motility behavior with an optimum stiffness where the migration speed is maximized. Different motility behavior of cells on different substrate stiffness most likely arises because cells on soft gels do not adhere strongly enough, reducing the traction forces, while cells on stiff gels adhere too strongly, resulting in decreased migration. At intermediate stiffness, however, cells can attain optimal motility with balanced the cell induced traction force and the reaction force from the environment. However, this sensitive migration to substrate stiffness is suppressed when collagen is used for ECM material. When actin stress fiber formation is suppressed by ROCK inhibitor, average speed of the cells decreases. Through these results, it can be seen that the inhibition of actin stress fiber formation by ROCK inhibitor induces reduction of cell motility, resulting similar tendency of cell motility in all substrate stiffness. However, the biphasic trend of the cell motility is still maintained, in other words, the sensitivity of the cells detecting the stiffness of the substrate may not be related to the ROCK dependent pathway.
Also, the effect of directional shear stress on cells motility was observed. Under interstitial shear stress condition, fibroblast cells migrate more actively compared with non-shear stress condition. When shear stress is applied to the cell, the motility behavior is significantly different between soft(10 kPa) and stiff(80 kPa) substrate. This study will aid us to understand the fundamental mechanism of cell motility, which can be regulated by the mechanical properties of their physical environment.
세포의 이동성(motility)은 상처의 치유나 태아의 발생과정과 같은 많은 생리학적 과정을 수행하는 중요한 기능이다. 일반적으로 피부세포, 혈관내피세포, 유선상피세포와 같은 여러 세포들은 우리 몸 안에서 다양한 기계적 자극에 노출되어 있으며, 세포의 운동성 및 반응은 이러한 기계적인 자극과 세포가 자라는 외부 환경(ECM)에 의해서 조절될 수 있다. 따라서 본 연구는 세포외기질(ECM)과 기계적 자극 변화를 통하여 세포의 이동성, 구조 및 형태 변화를 관찰하고 해석하는 것을 목표로 크게 네 가지 실험을 진행하였다. 실험에 사용한 세포외기질 조건으로는 표면의 강성과 단백질 종류를 변화시켰으며 기계적인 자극으로는 0.1 dyne/$cm^2$ 의 전단응력을 사용하였다. 먼저 첫 번째 실험을 통하여 세포의 표면 강성에 대한 민감도가 세포외기질 단백질의 종류에 따라 다르게 나타난다는 사실과Fibronection 환경에서 세포가 가장 민감하게 반응하는 것을 알 수 있었다. 두 번째로 표면 강성에 대한 세포의 운동성 변화에 대한 실험을 진행하였으며 이를 위해서는 진피세포, 혈관내피세포, 조골세포, 표피세포를 각각 사용하였다. 이를 통해 세포의 운동성은 표면 강성에 따라서 매우 다른 양상을 보이며 각각의 세포는 운동성이 극대화되는 최적의 표면 강성조건을 가짐을 확인할 수 있었다. 세 번째 실험으로 세포의 이동에 중요한 역할을 하는 actin stress fiber의 형성을 억제하였을 때 표면강성의 변화에 따른 세포의 이동성 변화를 관찰해 보았다. Actin stress fiber의 형성을 억제하였을 때 전반적인 세포의 이동 속도는 감소하는 것을 볼 수 있었지만 세포는 운동성이 극대화되는 최적의 표면 강성조건을 가지는 양상에는 변화가 없는 것을 확인할 수 있었으며 이를 통하여 세포가 표면 강성을 감지하는데 actin stress fiber의 형성이 큰 영향을 미치지 않을 것이라는 가능성을 제시할 수 있었다. 마지막으로 기계적 자극이 주어졌을 때 세포의 이동성이 서로 다른 표면 강성 조건에서 어떻게 달라지는지 관찰해보았으며 그 결과로 비교적 단단한 80 kPa의 표면 강성 조건에서 0.1 dyne/$cm^2$ 의 전단응력을 받은 세포의 경우 전단응력을 받지 않은 경우와 비교하여 운동성에 큰 변화가 나타나지 않았지만, 10 kPa의 표면 위에서는 전단응력이 가해졌을 때 세포의 움직임이 유체의 유동 방향을 거슬러 반대로 이동하는 것을 관찰할 수 있었다. 특히 전단자극이 주어진 직후부터 약 2시간 정도 사이에 유동방향의 세포 이동 속도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 외부 환경 및 자극에 대한 세포의 반응양상이 다르게 일어나는 근본적인 원인 및 메커니즘에 대한 분석은 진행하지 못하였다. 하지만 앞에서도 언급한 바와 같이 세포의 이동성은 사람의 체내에서 매우 중요한 생리적 작용을 담당하기에 그 운동성과 이에 관여하는 내부 신호체계 및 메커니즘에 대한 다양한 연구가 필요할 것이라 생각되며 보다 다양한 조건의 실험과 해석을 통하여 본 연구가 세포의 이동성 연구에 대한 기본적인 정보로 사용되기를 기대해 본다.
