Phương pháp số để dự đoán phân bố căng màng của các tế bào lan rộng dựa trên tái cấu trúc các liên kết trọng tâm

Science China Physics, Mechanics & Astronomy - Tập 65 - Trang 1-13 - 2022
XinYue Liu1,2, Keni-chi Tsubota3, Yi Yu4, Wang Xi5,6, XiaoBo Gong2,7
1Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, School of Mechanics and Engineering Science, Shanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy Engineering, Shanghai University, Shanghai, China
2Key Laboratory of Hydrodynamics (Ministry of Education), Department of Engineering Mechanics, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China
3Department of Mechanical Engineering, Chiba University, Chiba, Japan
4Department of Aeronautics and Astronautics, Fudan University, Shanghai, China
5Mechanobiology Institute, National University of Singapore, Singapore, Singapore
6Institut Jacques Monod, Université Paris Cité, Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, France
7Institute of Mechanobiology and Biomedical Engineering, School of Life Science and Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China

Tóm tắt

Những thay đổi trong căng màng có ảnh hưởng đáng kể đến các chức năng sinh lý của tế bào theo nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên, việc đo lường trực tiếp phân bố không gian của căng màng vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết. Trong nghiên cứu này, một thuật toán được đề xuất để xác định căng màng theo cách ngược lại bằng cách thực hiện một phương pháp dựa trên hạt và tìm kiếm năng lượng biến dạng tối thiểu dựa trên các hình ảnh tế bào và các liên kết trọng tâm. Một mô hình tế bào lan rộng tiêu chuẩn được thiết lập bằng cách sử dụng tái cấu trúc 3D với hình ảnh từ hiển vi chiếu sáng có cấu trúc như hình dạng tế bào tham chiếu. Phân bố căng màng, lực ở các liên kết trọng tâm và hồ sơ của tế bào lan rộng được thu thập bằng phương pháp này, cho đến khi hàm năng lượng biến dạng tế bào hội tụ. Các so sánh định tính và định lượng với các kết quả thí nghiệm trước đó đã xác thực tính tin cậy của phương pháp này. Kết quả cho thấy rằng trong mô hình tế bào lan rộng tiêu chuẩn, căng màng giảm từ đáy lên đến đỉnh của màng. Phương pháp này có thể được áp dụng để dự đoán phân bố căng màng của các tế bào lan rộng tự do thành các hình dạng khác nhau, điều này có thể cải thiện phân tích định lượng về căng màng tế bào trong nhiều nghiên cứu về cơ học tế bào.

Từ khóa

#căng màng #liên kết trọng tâm #mô hình tế bào #phân bố căng màng #cơ học tế bào

Tài liệu tham khảo

Kshitiz, J. S. Park, P. Kim, W. Helen, A. J. Engler, A. Levchenko, and D. H. Kim, Integr. Biol. 4, 1008 (2012). A. L. Le Roux, X. Quiroga, N. Walani, M. Arroyo, and P. Roca-Cusachs, Phil. Trans. R. Soc. B 374, 20180221 (2019). S. Boulant, C. Kural, J. C. Zeeh, F. Ubelmann, and T. Kirchhausen, Nat. Cell Biol. 13, 1124 (2011). M. Saleem, S. Morlot, A. Hohendahl, J. Manzi, M. Lenz, and A. Roux, Nat. Commun. 6, 1 (2015). S. Morlot, V. Galli, M. Klein, N. Chiaruttini, J. Manzi, F. Humbert, L. Dinis, M. Lenz, G. Cappello, and A. Roux, Cell 151, 619 (2012). G. Apodaca, Am. J. Physiol.-Renal Physiol. 282, F179 (2002). Y. Wang, Y. Liu, H. A. Deberg, T. Nomura, M. T. Hoffman, P. R. Rohde, K. Schulten, B. Martinac, and P. R. Selvin, eLife 3, e01834 (2014). B. Martinac, N. Bavi, P. Ridone, Y. A. Nikolaev, A. D. Martinac, Y. Nakayama, P. R. Rohde, and O. Bavi, Biophys. Rev. 10, 1377 (2018). C. E. Morris, and U. Homann, J. Membrane Biol. 179, 79 (2001). B. Pontes, P. Monzo, L. Gole, A. L. Le Roux, A. J. Kosmalska, Z. Y. Tam, W. Luo, S. Kan, V. Viasnoff, P. Roca-Cusachs, L. Tucker-Kellogg, and N. C. Gauthier, J. Cell Biol. 216, 2959 (2017). N. C. Gauthier, M. A. Fardin, P. Roca-Cusachs, and M. P. Sheetz, Proc. Natl. Acad. Sci. 108, 14467 (2011). D. Raucher, and M. P. Sheetz, J. Cell Biol. 148, 127 (2000). A. R. Houk, A. Jilkine, C. O. Mejean, R. Boltyanskiy, E. R. Dufresne, S. B. Angenent, S. J. Altschuler, L. F. Wu, and O. D. Weiner, Cell 148, 175 (2012). A. D. Lieber, Y. Schweitzer, M. M. Kozlov, and K. Keren, Biophys. J. 108, 1599 (2015). A. D. Lieber, S. Yehudai-Resheff, E. L. Barnhart, J. A. Theriot, and K. Keren, Curr. Biol. 23, 1409 (2013). N. C. Gauthier, T. A. Masters, and M. P. Sheetz, Trends Cell Biol. 22, 527 (2012). T. A. Masters, B. Pontes, V. Viasnoff, Y. Li, and N. C. Gauthier, Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 11875 (2013). D. Raucher, and M. P. Sheetz, J. Cell Biol. 144, 497 (1999). G. Salbreux, G. Charras, and E. Paluch, Trends Cell Biol. 22, 536 (2012). A. G. Clark, O. Wartlick, G. Salbreux, and E. K. Paluch, Curr. Biol. 24, R484 (2014). K. Keren, Eur. Biophys. J. 40, 1013 (2011). K. Keren, Z. Pincus, G. M. Allen, E. L. Barnhart, G. Marriott, A. Mogilner, and J. A. Theriot, Nature 453, 475 (2008). D. M. Cohen, and C. S. Chen, in The Stem Cell Research Community, edited by Stembook (Harvard Stem Cell Institute, Cambridge, 2008). I. A. Titushkin, J. Shin, and M. Cho, Crit. Rev. Biomed. Eng. 38, 393 (2010). A. Mammoto, and D. E. Ingber, Curr. Opin. Cell Biol. 21, 864 (2009). A. Diz-Muñoz, D. A. Fletcher, and O. D. Weiner, Trends Cell Biol. 23, 47 (2013). B. Pontes, P. Monzo, and N. C. Gauthier, Semin. Cell Dev. Biol. 71, 30 (2017). A. Colom, E. Derivery, S. Soleimanpour, C. Tomba, M. D. Molin, N. Sakai, M. González-Gaitán, S. Matile, and A. Roux, Nat. Chem. 10, 1118 (2018). P. Sens, and J. Plastino, J. Phys.-Condens. Matter 27, 273103 (2015). J. Dai, and M. P. Sheetz, Biophys. J. 77, 3363 (1999). Y. Schweitzer, A. D. Lieber, K. Keren, and M. M. Kozlov, Biophys. J. 106, 84 (2014). B. Fogelson, and A. Mogilner, PLoS ONE 9, e84524 (2014). L. Wang, W. Chen, H. Guo, and A. Qian, Theor. Biol. Med. Model. 16, 1 (2019). A. D. Bershadsky, N. Q. Balaban, and B. Geiger, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 19, 677 (2003). J. D. Humphries, P. Wang, C. Streuli, B. Geiger, M. J. Humphries, and C. Ballestrem, J. Cell Biol. 179, 1043 (2007). M. C. Kim, D. M. Neal, R. D. Kamm, and H. H. Asada, PLoS Comput. Biol. 9, e1002926 (2013). K. Tsubota, and S. Wada, Int. J. Mech. Sci. 52, 356 (2010). K. Tsubota, S. Wada, and T. Yamaguchi, Comput. Methods Programs Biomed. 83, 139 (2006). T. F. Roth, and K. R. Porter, J. Cell Biol. 20, 313 (1964). M. Kaksonen, and A. Roux, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 19, 313 (2018). K. Keren, Proc. Natl. Acad. Sci. 108, 14379 (2011). B. J. Dubin-Thaler, G. Giannone, H. G. Döbereiner, and M. P. Sheetz, Biophys. J. 86, 1794 (2004). L. L. Norman, J. Brugués, K. Sengupta, P. Sens, and H. Aranda-Espinoza, Biophys. J. 99, 1726 (2010). N. C. Gauthier, O. M. Rossier, A. Mathur, J. C. Hone, and M. P. Sheetz, Mol. Biol. Cell. 20, 3261 (2009). A. Pietuch, and A. Janshoff, Open Biol. 3, 130084 (2013). R. Skalak, A. Tozeren, R. P. Zarda, and S. Chien, Biophys. J. 13, 245 (1973). E. A. Evans, R. Waugh, and L. Melnik, Biophys. J. 16, 585 (1976). S. Wada, and R. Kobayashi, Trans. JSME Ser. A 69, 14 (2003). C. Grashoff, B. D. Hoffman, M. D. Brenner, R. Zhou, M. Parsons, M. T. Yang, M. A. McLean, S. G. Sligar, C. S. Chen, T. Ha, and M. A. Schwartz, Nature 466, 263 (2010). A. E. Cohen, and Z. Shi, BioEssays 42, 1900142 (2020). E. Sitarska, and A. Diz-Muñoz, Curr. Opin. Cell Biol. 66, 11 (2020). M. Tanaka, T. Kikuchi, H. Uno, K. Okita, T. Kitanishi-Yumura, and S. Yumura, Sci. Rep. 7, 12970 (2017). X. Tan, J. Heureaux, and A. P. Liu, Integr. Biol. 7, 1033 (2015). R. M. Hochmuth, J. Biomech. 33, 15 (2000). E. L. Batchelder, G. Hollopeter, C. Campillo, X. Mezanges, E. M. Jorgensen, P. Nassoy, P. Sens, and J. Plastino, Proc. Natl. Acad. Sci. 108, 11429 (2011). S. He, Y. Su, B. Ji, and H. Gao, J. Mech. Phys. Solids 70, 116 (2014). M. J. Rosenbluth, W. A. Lam, and D. A. Fletcher, Biophys. J. 90, 2994 (2006). J. Dai, H. P. Ting-Beall, and M. P. Sheetz, J. Gen. Physiol. 110, 1 (1997). E. Irajizad, N. Walani, S. L. Veatch, A. P. Liu, and A. Agrawal, Soft Matter. 13, 1455 (2017). J. P. Grossier, G. Xouri, B. Goud, and K. Schauer, EMBO J. 33, 35 (2014). X. Liu, H. Yang, Y. Liu, X. Gong, and H. Huang, Acta Mech. Sin. 35, 691 (2019). U. Djakbarova, Y. Madraki, E. T. Chan, and C. Kural, Biol. Cell 113, 344 (2021).
Thông tin
Thông tin xuất bản

Science China Physics, Mechanics & Astronomy

Tập 65

1-13

Thông tin tác giả