The extracellular matrix (ECM) fiber alignment is important factor when there is cancer progression as cancer invasion is enhanced through ECM fiber alignment. While there have been great efforts to understand the changes in mechanical properties of ECM using both in vitro and in silico models, the detailed characterization of the pore network of the ECM still remains to be elucidated. The analysis of the pore network is crucial as the network is affected by matrix metalloproteinase, which cancer cells secrete and utilize to migrate. Until now, the investigation on the pore network of ECM structure has been achieved using the pore diameter. However, in this work, we have hypothesized that quantifying the pore throat can better capture the changes of the pore network induced by the alignment of the fiber. First, we have imaged fibrous collagen-I, and applied the watershed algorithm to extract information of the pore network. With the extracted data, ECM is reconstructed by stochastic annealing method, and the watershed algorithm is used again on the reconstructed ECM structures to validate that the reconstructed structure can recover the pore network of the original structure. Finally, by manipulating the fiber alignment of the reconstructed structure, we have shown that the fiber alignment significantly changes the area of the pore throats, while the average size of the pores remained mostly unchanged. Our finding suggests that the pore network analysis including the pore throats can reveal the changes in the pore network that previously was note possible fully characterized using the pore size measurements commonly achieved with the reconstituted collagen-I characterization. At the last part of the paper verifies the findings that the characterization of the pore throat is more suitable in characterizing the changes in the collagen network caused by the fiber alignment experimentally.
세포 외 기질의 기계적 및 공간적 특성은 세포에 중요한 영향을 미친다. 특히나 세포 외 기질의 기계적 특성은 인 비트로 및 시뮬레이션을 통해서 많은 연구가 되어있다. 세포 외 기질의 공간적 네트워크(Pore network)의 특성은 대부분 포어 사이즈를 측정으로 이루어진다. 하지만, 포어 사이즈만으로 공간적 네트워크를 나타내는 것은 문제가 있다. 특히나, 섬유 얼라인먼트(Fiber alignment)가 존재할 때 생기는 공간적 네트워크의 변화는 포어 사이즈만으로 나타낼 수 없다. 다공성 물질에서 중요한 포어 트롯 (Pore throat)은 이와 같은 문제를 해결할 수 있다. 포어 트롯을 포함한 공간적 네트워크의 특성을 알기 위해서 이 논문에서는 워터쉐드 알고리즘(Watershed algorithm)을 사용하였다. 뿐만 아니라, 섬유 얼라인먼트에 의한 공간적 네트워크의 변화를 분석하는 데 있어서 엄밀히 섬유 얼라인먼트를 유도하기 어려운 인 비트로 실험 대신 확률적 어닐링 기법(Stochastic annealing)을 사용하여 콜라겐-I 섬유 네트워크 재구성을 진행하였다. 이를 통해 섬유 얼라인먼트에 의한 공간적 네트워크의 변화를 측정하는 데 있어서 포어 사이즈보다 포어 트롯이 더 중요하다는 것을 밝혔다. 이 논문의 마지막은 실험적으로 섬유 얼라인먼트에 의한 포어 사이즈 및 포어 트롯의 변화를 측정하여 확률적 어닐링 기법으로 만든 모델링과 그 결과의 타당성을 입증하였다.
