Motility is critical in most physiological processes such as wound healing, cancer metastasis, and immune responses. Several studies identified cytoskeletons and associated proteins as key regulators of the cellular motility because these proteins are known to contribute in the generation of cellular forces. Despite their importance, it has been challenging to identify the roles of cytoskeletal proteins in motile properties due to the complexities in the combinatorial effects of the involved proteins.
In this study, we investigate the motility of microglia, a type of immune cells in the central nervous system, which undergo a variety of phenotypic changes depending on their functional roles. In vivo, microglial cells transform their phenotypes from a ramified morphology with numerous long processes to a transitional/motile type withdrawn the processes when triggered by insults from extracellular matrix (ECM) or other cells. Due to their intrinsic scavenging roles, resting microglia move their processes or body continuously to surveil the ECM in vivo. When these cells are cultured in vitro, however, all processes are lost and only the cells with a few hand-like protrusions exist. Interestingly, the majority of the microglial cells cultured in vitro on a 2D surface feature symmetrical oscillation along their long body axis.
Based on the correlation analysis, we found that the oscillation of the nucleus follows that of the leading edge of the cells with a constant delay. This might implicate that the protrusion at the leading edge is active while the nucleus is passive. We assumed this motion at the leading edge to be driven by actin protrusion forces, which can be correlated with the traction force. By the traction force microscopy, the temporal and spatial changes in the cellular traction forces were assessed where we observed highly localized tractions oscillating regularly at two ends. Furthermore, we also found the correlation with a well-defined lag between cell positions and their tractions based on which we can extract intracellular viscoelastic parameters. Putting these all together, we propose a simple viscoelastic lumped model to represent the oscillating microglial cells as a system with two masses, two springs, and two dampers in attempting to understand the dynamics of this oscillation behavior. We expect that our viscoelastic lumped model might interpret the complex cytoskeletal mechanics for the oscillatory behavior of microglial cells.
세포 운동성은 상처 치유, 암 전이, 형태 발생 및 면역과 같은 생리학적 반응 에서 매우 중요하다. 이전 논문들에 의하면, 세포 골격 및 관련 단백질은 세포단계의 힘을 만들기 때문에 세포의 운동성에 있어 매우 중요하다고 알려져 있다. 그러나 세포 운동에 매우 복잡하게 참여하고 있어, 그 운동성을 이해하는 데에 어려움이 많다. 본 논문은 미세아교세포의 운동성을 연구하였으며, 해당 세포는 중추신경계에 특화된 면역 세포로서, 외부 자극의 변화에 대하여 빠르게 거동 및 형태가 변하는 것으로 알려져 있다. 생체 내에서는 분기된 형태의 모양을 가지며, 탐지를 통해 기능 장애가 발견된 경우 혹은 생체 외 배양하는 경우 가지가 세포 몸 속으로 수축되며 움직임이 증가한다. 이러한 운동성의 세포는 생체 내 2차원 배양에서 아메바 형태의 운동성이 높은 상태로 변화되며, 세포의 본질적인 방어를 위한 활발한 움직임이 2차원 바닥에 의해 운동성이 제한되고 정형화 될 수 있다. 특별히 본 연구에서는 다수의 미세아교세포가 세포의 길이 방향보다 작은 진폭을 가지고 일정한 진동수로 진동하는 것이 발견 되었으며, 본 특성을 역학적 관점에서 접근하여 이해하는 것을 목표로 하였다.
본 연구에서는 미세아교세포의 진동 거동이 세포 길이방향으로 양극화 된 견인력의 변동이 원인임을 밝혔다. 특별히 세포 견인력에서도 진동하는 양상이 관측되었으며, 견인력이 세포를 움직이는데 시간 지연이 있음을 상관 관계 함수를 통하여 구할 수 있었다. 뿐만 아니라 세포 내에서도 세포질의 움직임을 포함하는 세포 끝 부분의 움직임과 핵의 움직임에서 시간 지연을 발견하였고, 이를 기반으로 세포를 두 개의 점 질량으로 가정하였다. 결과를 통해 각각 두 개의 질량, 스프링, 그리고 댐퍼로 구성된 점탄성 모델을 제안하였다. 본 모델은 실험을 통해 관측한 주기, 진폭 및 시간을 잘 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 시뮬레이션을 통해 모델의 각 요소들의 변화와 세포의 다양한 진동 양상의 연관성에 대한 이해를 할 수 있었다. 추후 세포 골격 단백질을 억제함으로써, 진동 양상의 변화 및 견인력의 변화를 확인하여 세포의 진동 거동과 모델을 더욱 이해할 수 있을 것으로 기대하는 바이다.
