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周期性拉伸和拉伸释放下上皮细胞中应力纤维亚型的机械适应性组织

应力纤维 (SFs) 的组织响应施加的拉伸应变对于理解细胞或组织的机械转导和机械稳态很重要。SF 组织具有结构适应性,允许机械拉伸的细胞调整其形状和方向。然而,应力纤维亚型的重组与细胞质和细胞核的应变依赖性反应之间的相关性仍不清楚。


以此为起点,来自韩国光州全南国立大学等在内多位专家学者合作研究了应力纤维亚型在周期性拉伸上皮细胞的定向和伸长中的动态参与。



部分实验内容:


A549 细胞(来自人肺泡上皮细胞)在 37 °C 和 5% CO 2的培养箱中置于RPMI1640 培养基中培养,在 0.3 Hz 频率下以 5%、10% 和 15% 三种不同幅度暴露于单轴周期性拉伸(CS) 下15、30、60 和 120 分钟。


在周期性拉伸和拉伸释放下上皮细胞的细胞质和细胞核的应变依赖的重新定向和形态

为了研究细胞质和细胞核对动态拉伸的应变依赖性响应,对在 PDMS 井上培养A549细胞进行0.3 Hz 的5%、10% 和 15% 的单轴循环拉伸应力,持续 15、30、60、和 120 分钟。经过2小时的循环拉伸后,PDMS井的机械拉伸被释放。在拉伸和释放两种模式下,测定或计算各时间点细胞质和细胞核的形态特征,包括取向角、伸长因子和面积。


未拉伸的细胞(即 0 分钟时的细胞)显示出细胞质和细胞核的方向角分布广泛,中间角分别为 60° 和 58°。拉伸后细胞的细胞质和细胞核优先向拉伸方向倾斜。无论应变大小如何,2 h的循环拉伸导致细胞质取向角范围狭窄,中位角为76°。在120min时,5%、10%、15%应力下,细胞核的取向角(中间值)分别为68°、73°、75°。



在周期性拉伸存在或不存在时,应力纤维亚型发生了可逆的重组

为了了解 SF 亚型如何参与细胞质和细胞核对单轴循环拉伸的应变依赖的重新定向,我们通过 SF 相关分子的荧光染色检查了 SF 亚型的重组。在对细胞进行循环拉伸后,立即固定细胞并对肌动蛋白丝和 FAC 分子(纽蛋白)进行染色。使用共聚焦荧光显微镜获得 Z-stack图像以识别 SF 亚型。


循环拉伸显著改变了A549细胞中SF亚型的组织。在大多数未拉伸的细胞中,观察到背侧 SFs、横向弧和外周 SF 的典型定位;然而,检测到很少的核周帽纤维。循环拉伸引起 SF 亚型数量和分布的显着变化。与未拉伸细胞中发现的相比,拉伸细胞中核周帽纤维的数量增加了 16 到 20 倍,而在循环拉伸2小时后,背侧SFs和横向弧的数量呈应变依赖性地减少:在 5% 拉伸应变时减少约 8 倍,在 10% 或 15% 拉伸应变时减少约 24 倍。外周 SFs 的数量在 10% 或 15% 拉伸应变时略有增加,但在 5% 时它们的数量没有显着变化。此外,外周 SFs 的长度显示出类似的变化模式:10% 或 15% 拉伸应变时为 1.3 至 1.5 倍,但拉伸应变为 5% 时变化不显着。



实验结果:

总之,研究结果表明,SF亚型重组在上皮细胞的细胞质和细胞核的拉伸诱导的反应中具有动力学关联的协调性。与外周 SFs 相比,背侧 SFs 和横向弧在循环拉伸下细胞质的重新定向和伸长方面表现出较高的机械敏感性。


此外,核周帽纤维的缓慢形成与小应变下核细胞再定向的动力学滞后有关,而高稳定性有助于循环拉伸释放后核定向和形态的部分恢复。应力纤维亚型的重组是通过快速、可逆地切换肌球蛋白II的分布来调整其收缩性,以响应机械拉伸或拉力释放来维持细胞力学稳态。



参考文章:Roshanzadeh A, Nguyen TT, Nguyen KD, Kim DS, Lee BK, Lee DW, Kim ES. Mechanoadaptive organization of stress fiber subtypes in epithelial cells under cyclic stretches and stretch release. Sci Rep. 2020 Oct 29;10(1):18684. doi: 10.1038/s41598-020-75791-2. PMID: 33122754; PMCID: PMC7596055.

原文链接:https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/33122754/


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