Cell migration is an essential process in physiological and pathological conditions such as angiogenesis, embryogenesis, tissue regeneration, and tumor metastasis. Biochemical cues as well as mechanical factors from surrounding microenvironment regulate behavior of migrating cells. This study aims to examine the roles of mechanical environments on the directional cell migration for wound healing and angiogenesis.
First, at the wound site, interstitial flow and endogenous electric field are inherently generated to promote migration of dermal fibroblasts and to remodel surrounding extracellular matrix. To investigate the combinatorial effects of fluid shear stress and direct current electric field (dcEF) on the migration of cells, an integrated microfluidic platform was developed using soft lithography to monitor the cellular migration in real-time in response to an electric field and fluid shear stress in single, simultaneous, and sequential modes. When each of these stimulations is applied separately, normal human dermal fibroblasts migrate downstream of fluid flow and toward anode in a dose-dependent manner up to $20 dyne/cm^{2}$ shear stress and 2 V/cm dcEF, respectively. In response to the external stimuli, migrating cells become highly polarized and their motility is driven by cytoskeletal rearrangement. Interestingly, actin stress fibers are aligned in the direction parallel to that of the flow and in the direction perpendicular to that of the electric field where the reoriented structure of cells influences the direction of cell migration. By mimicking the wounded situation, the simultaneous application of $10 dyne/cm^{2}$ of shear stress and 1 V/cm of dcEF in an anti-parallel manner enhances the synergetic effects on the directional migration of fibroblasts by increasing both directedness and trajectory speed. These results suggest plausible scenario of cooperation between two physical cues to promote wound healing in physiological setting. When these two cues are applied in a parallel manner by reversing the direction of dcEF, the balance points between the opposite directions of mechanotaxis and electrotaxis can be obtained in which the average net movement of the cells becomes zero. When an electric field and shear stress are applied sequentially, migration behavior is affected by the applied stimulation as well as pre-existing stimulating conditions. The roles of membrane receptor proteins need to be further investigated to understand the detailed underlying mechanism for taxis behavior of dermal fibroblasts.
Secondly, fluid shear stress serves as one of the key regulators for blood vessel formation by endothelial cells in the vascular system. To investigate the effects of shear stress on the invasion of endothelial cells into three-dimensional extracellular matrix, a novel microfluidic platform is developed that integrates fluid shear stress and chemical gradients in a three dimensional configuration. In static culture, the addition of angiopoietin-1 and co-culturing of normal human dermal fibroblasts generates synergistic effects on the vessel maturation and lumen formation by human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). In the absence of these biochemical factors, $3 dyne/cm^{2}$ of steady fluid shear stress, the physiological level of shear stress in typical vein, is shown to enhance the individually migrating cells into collagen matrix, but does not alter formation of tip cells that are integrated with stalk cells. While the presence of VEGF gradient promotes invasion of HUVEC in static condition, VEGF did not exhibit any added effects on shear-induced invasion of HUVEC in 3 dyne/cm^{2} condition. The roles of shear stress on vascular lumen formation with angiopoietin-1 and fibroblast co-culture environments are under investigation.
세포 운동은 신생혈관형성, 배아발생, 조직재생, 암세포의 전이 등 생리학적, 병리학적으로 필수적인 현상이다. 다양한 생화학적 요소뿐만 아니라 기계적인 환경에 의해서도 이런 세포의 운동 현상이 조절될 수 있다. 본 연구에서는 상처치유와 신생혈관형성 과정에서 세포 주변에 형성되는 기계적인 환경에 의해 나타나는 세포의 방향성 있는 움직임에 대해 연구했다.
피부에 상처가 발생하면, 조직 내부의 세포는 혈장액 유출에 의한 유동전단응력과 함께 전하 이동에 의한 상대적인 전기장을 내재적으로 겪게 된다. 조직의 세포외기질을 재형성하는 역할을 하는 섬유아세포는 이런 방향성 있는 물리적 환경에 의해 상처 쪽으로 이동하여 상처 치유에 결정적인 역할을 한다고 알려져 있다. 하지만 상처가 발생하면 이런 물리적 환경은 독립적으로 나타나는 것이 아니라 동시다발적으로 일어난다. 그러므로 본 연구는 유동전단응력과 전기장이 동시에 작용될 때 나타나는 섬유아세포의 상승적 운동현상을 관찰하고자 한다. 이를 위해 유동전단응력과 전기장을 독립적으로 제어하면서 동시에 또는 순차적으로 가할 수 있는 미세유동채널을 연성식각공정을 통해 개발했다. 본 장비를 이용한 개별적인 자극 실험에서 인간 정상 진피 섬유아세포는 최대 $20 dyne/cm^{2}$ 까지 전단응력이 증가함에 따라 유동 방향으로 이동하는 경향이 커지며, 마찬가지로 최대 2 V/cm 까지 전기장이 증가함에 따라 높은 전위인 양극으로 이동하는 경향이 증가했다. 세포가 방향성 있는 움직임을 만들기 위해서는 분극화 과정을 겪게 되는데 이 과정에서 세포내골격과 함께 세포 자체의 모양이 유동방향에 수평하게, 반대로 전기장에 수직하게 재정렬되었으며, 세포는 이렇게 재정렬된 세포 모양에 의해 움직이는 방향에 제한을 받았다. 실제 피부 상처의 상황을 모사하여 $10 dyne/cm^{2}$ 의 유동전단응력과 함께 1 V/cm 의 전기장을 동시에 가했을 때 세포는 자극의 방향으로 순간적인 속도의 증가를 보였으며, 그에 따라 더 멀리 이동할 수 있었다. 즉 상처 주변에서 내재적으로 발생하는 복합적인 물리적 환경은, 조직을 재형성하는 섬유아세포로 하여금 더 효과적으로 상처로 이동함으로써 초기 상처치유 과정에 도움을 줄 수 있다는 것을 의미한다. 한가지 흥미로운 현상은 전단응력과 전기장의 두 가지 서로 다른 물리적 자극을 반대로 가했을 때에는 방향성을 잃고 무작위로 이동하게 되는 자극의 쌍들이 존재함을 확인했다. 외부에서 작용하는 두 가지 힘이 세포 내부로 전달되는 기전과 신호전달체계에 대해 연구할 수 있는 중요한 관찰이며, 향후 자극의 유무를 감지하는 표면자극 수용체 연구에 활용될 수 있을 것이다.
혈관은 혈액의 유동에 의해 끊임없이 유동전단응력을 받고 있으며, 혈관 내벽을 감싸고 있으면서 혈액과 조직을 분리하는 역할을 하는 혈관내피세포는 이런 전단응력의 크기와 파형에 따라 민감하게 반응한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 혈관내피세포에 작용하는 전단응력이 새로운 혈관형성에 미치는 영향을 파악하고자 했다. 이를 위해서 신생혈관형성에 가장 중요한 생화학적 조절자로 알려진 혈관형성인자의 농도구배를 형성하면서 균일한 전단응력을 가할 수 있는 미세유동채널을 개발했다. 이렇게 개발된 장비는 채널 내부에 구성된 3차원 세포외기질을 침투하면서 일어나는 신생혈관형성의 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 장점이 있다. 먼저 유동이 없는 환경에서 탯줄 정맥 혈관내피세포는 혈관형성인자의 농도구배를 거슬러 3차원 세포외기질을 침투하며, 안지오포이에틴-1 (Angiopoietin-1)과 인간 정상 진피 섬유아세포의 공동배양을 통해 안정적인 혈관내강이 형성되는 것을 확인했다. 일반적인 정맥의 생리학적 전단응력 범위인 $3 dyne/cm^{2}$ 의 일정한 유동전단응력을 혈관내피세포 표면에 가하면 혈관형성인자의 유무와 관계없이 3차원 기질을 침투하는 정도가 크게 증가하는 것을 관찰했으나, 세포가 결합 없이 단독으로 분리되어 이동하는 세포가 주로 나타나는 것을 확인했다. 전단응력에 의한 혈관형성을 안정화시킬 생화학적 요소에 대해 추가적인 실험을 진행하고 있으며, 전단응력을 감지하는 혈관내피세포의 표면자극 수용체의 역할에 대해 추가로 연구할 예정이다.
