Cell migration plays an essential role in regulation of developmental and pathological conditions. In many of these processes, cells move cohesively either as clusters, chains, or sheets in a collective manner. This collectiveness in cell migration is particularly relevant in wound healing, morphogenesis, neovascularization, or cancer metastasis. The most marked characteristic of the collective migration is the cooperativity amongst neighboring cells due to physical connections through cell adhesions. The emergence of the collective behavior can be regulated by several external stimuli, either mechanical, geometrical, or chemical. While the collective behavior in the cell monolayer has gained much attention, the response of collective cells to an external stimulus in a cooperative view is not fully understood.
Therefore, it is our goal to investigate how the collective behaviors arise in response to externally applied physical stimulation. We first choose a direct current electric field (dcEF) as a source for non-invasive cue for cell migration, and create the cellular strip by employing a micro-patterning technique with mammary gland epithelial cell, MCF-10A. Cellular motions are assessed by the particle imaging velocimetry (PIV) and the cell-substrate adhesion forces are quantified by the traction force microscopy (TFM), based on which the intercellular stresses can be calculated. The specific aims of this work are 1) to develop an integrated platform where a stable EF can be applied to the cell strip on a bead laden hydrogel, 2) to monitor the cellular motions and forces under the electric stimulation using PIV and TFM, 3) to quantify the changes in the cellular cooperativity of collective cell migration in both kinematic and dynamic perspectives, and finally 4) to identify the key biomolecular components responsible for these changes. The generated platform allows real time monitoring of the dynamic changes in cellular motions as well as the bead displacement from which traction force can be calculates. Upon EF stimulation of 0.5V/cm, the cells show enhanced migration with increased heterogeneity and complexity in their motions. The cellular tractions inside the strip also show spatial heterogeneity with dynamic temporal fluctuations with the electric stimuli. Both spatial and temporal fluctuations may be associated with a number of different factors such as changes in cellular proliferation rate, integrity of the cell-cell junctions, or any EF-induced intracellular signals that affect cellular migration. Our immunofluorescent images indicate that the integrity of E-cadherin is compromised with apparent internalization with the EF. Our protein assays using Western Blot identify EGFR, ERK, AKT, and Src as possible candidates for the EF-induced responses in enhanced migration of MCF-10A. In summary, the combinatorial effects of the reduced cell-cell junctional stability and the increased migratory capacity of individual cells by EF stimulation may contribute to the accumulation of fluctuations in cellular tractions and intercellular stresses, leading to the enhanced cooperative migration in the cellular monolayer.
세포의 움직임은 체내에서 일어나는 다양한 종류의 생리 및 병리학적 현상에 필수적이다. 세포의 움직임은 단일 세포의 운동과 군집 운동(collective migration)으로 나뉠 수 있다. 세포의 군집 운동은 하나의 세포가 개별적으로 움직이는 단일 세포의 운동과 달리 주변의 세포와 세포간 결합(cell-cell junction)과 같은 물리적 연결 상태가 세포가 움직이는 동안 유지된다. 이러한 세포간 물리적 결합 때문에 세포의 군집 운동에서 가장 두드러지는 특징은 세포의 조직성 (cooperativity)이다. 이러한 군집 운동의 특성은 기계적 자극, 기하학적 자극 및 다양한 외부 자극에 의해 조절되기도 한다. 일반적인, 자극이 없는 세포의 단일층에서 세포의 군집 운동의 특성에 대한 연구가 많이 이루어진 반면, 군집 세포가 외부자극에 대해 조직성의 관점에서 어떻게 반응하는지에 대한 연구는 많이 이루어지지 않고 있다.
본 연구에서는 전기장에 의해 세포의 군집 운동 특성이 어떻게 나타나도 변화하는 지에 대해 공부하고자 한다. 현미경을 통해 세포의 움직임을 관찰하는 동시에 전기장을 인가할 수 있는 장비를 개발하였으며, 군집 세포의 조직성을 나타내는 지표로 세포와 바닥 간 힘 (tractions)을 사용하였다. 빈 공간을 향해 자유로이 움직일 수 있는 가느다란 직사각형 모양의 군집에서는 대칭적인 움직임을 보인 반면, 0.5V/cm의 전기장을 인가한 동일 모양의 군집에서는 비대칭적인 움직임을 보였다. 이는 전기장에 의해 군집 세포가 방향성 운동을 한다는 것을 내포한다. 세포 바닥 간 힘은 공간적으로 부호가 반대되는 값을 서로 반복하여 나타나는 패턴을 보였는데, 특히 전기장을 인가한 실험군의 경우, 힘이 지속되는 시간이 대조군 보다 짧게 나타났다. 즉, 세포 바닥 간 힘이 시간에 따라 변동했다. 이는 군집 세포의 조직성이 시간에 따라 변동했다는 것을 의미한다. 우리는 면역염색을 통해 전기장을 인가 했을 때, 군집에서 E-cadherin의 모양이 유지되기는 하나 대부분 세포 내부에 퍼져 있는 것을 볼 수 있었다. 이를 통해 우리는 E-cadherin이 전기장 자극에 의해 변화된 군집 세포의 조직성과 상호 관계가 있음을 추측할 수 있었다.
