Phân Tích Hình Thái và Fractal của Sự Thay Đổi Trong Tế Bào Giao Cảm Actin của Tế Bào Fibroblast Tim Mới Sinh Đáp Ứng Với Sự Kéo Dãn Cơ Học
Tóm tắt
Các tế bào fibroblast tim là các tế bào đông đảo nhất trong tim và có vai trò quan trọng trong việc hình thành và chức năng bình thường của cơ quan này. Tế bào fibroblast tim gắn chặt với và được bao quanh bởi ma trận ngoại bào (ECM). Các lực cơ học truyền qua tương tác với ECM có thể dẫn đến sự thay đổi hình dạng tế bào tổng thể, tổ chức khung tế bào, sự phát triển và biểu hiện gen của tế bào fibroblast tim. Những phản ứng này có thể khác nhau ở tim hoạt động bình thường so với các điều kiện bệnh lý khác nhau, bao gồm viêm hoặc phì đại. Rõ ràng rằng kiểu hình và sinh lý tế bào, ngược lại, bị ảnh hưởng bởi nhiều con đường truyền tín hiệu có thể điều chỉnh trực tiếp bởi trạng thái của sự trùng hợp của khung tế bào actin. Sự thay đổi hình thái trong tổ chức actin phát sinh từ phản ứng với các điều kiện bất lợi trong tế bào fibroblast và các loại tế bào khác chủ yếu mang tính mô tả. Một số nghiên cứu đã cố gắng định lượng các thay đổi trong hình thái khung tế bào actin, nhưng những nghiên cứu này thường liên quan đến các thủ tục phức tạp và khó khăn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi áp dụng phân tích hình ảnh và phân tích fractal hình học không Euclid để định lượng và mô tả những thay đổi được gây ra trong khung tế bào actin của tế bào fibroblast tim đang đáp ứng với áp lực cơ học. Việc phân tích các phản ứng nhanh chóng của fibroblast đối với áp lực cơ học có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về điều tiết hành vi và biểu hiện gen của fibroblast trong quá trình phát triển và bệnh tim.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Yoshigi, M. , Clark, E.B. & Yost, H.J. (2003).Quantification of stretch-induced cytoskeletal remodeling invascular endothelial cells by image processing.Cytometry A 55,109–118.
Milosevic, N.T. , Ristanovic, D. & Stankovic, J.B. (2005).Fractal analysis of the laminar organization of spinal cordneurons.J Neurosci Methods 146,198–204.
Hanaichi, T. , Sato, T. , Iwamoto, T. , Malavasi-Yamashiro, J. , Hoshino, M. & Mizuno, N. (1986).A stable lead by modification of Sato's method.J Electron Microsc (Tokyo) 35,304–306.
Fringer, J. & Grinnell, F. (2003).Fibroblast quiescence in floating collagen matrices.J Biol Chem 78,20612–206117.
Vasiliev, J.M. (1991).Polarization of pseudopodial activities: Cytoskeletalmechanisms.J Cell Sci 98,1–4.
Carver, W. , Terracio, L. & Borg, T.K. (1993).Expression and accumulation of interstitial collagen in the neonatalrat heart.Anat Rec 236,511–520.
Ristanovic, D. , Nedeljkov, V. , Stefanovic, B.D. , Milosevic, N.T. , Grgurevic, M. & Stulic, V. (2002).Fractal and nonfractal analysis of cell images: Comparison andapplication to neuronal dendritic arborization.Biol Cybern 87,278–288.
Grinnell, F. (2003).Fibroblast biology in three-dimensional collagen matrices.Trends Cell Biol 13,264–269.
Mandelbrot, B.B. , Passoja, D.E. & Paully, A.J. (1984).Fractal character of fractures surfaces of metals.Nature 308,721–724.
Caserta, F. , Eldred, W.D. , Fernandez, E. , Hausman, R.E. , Stanford, L.R. , Bulderev, S.V. , Schwarzer, S. & Stanley, H.E. (1995).Determination of fractal dimension of physiologically characterizedneurons in two and three dimensions.J Neurosci Methods 56,133–144.
Molina, T. , Kabsch, K. , Alonso, A. , Kohl, A. , Kompossch, G. & Tomakidi, P. (2001).Topographic changes of focal adhesion components and modulation ofp125FAK activation in stretched human periodontal ligamentfibroblasts.J Dent Res 80,1984–1989.
Goldsmith, E.C. , Hoffman, A. , Morales, M.O. , Pott, J.D. , Price, R.L. , McFadden, A. , Rice, M. & Borg, T.K. (2004).Organization of fibroblasts in the heart.Develop Dyn 230,787–794.
Gazit, Y. , Berk, D.A. , Leunig, M. , Baxter, L.T. & Jain, R.K. (1995).Scale-invariant behavior and vascular network formation in normaland tumor tissue.Phys Rev Lett 75,2428–2431.
Camelliti, P. , Borg, T.K. & Kohl, P. (2005).Structural and functional characterization of cardiacfibroblasts.Cardiovasc Res 65,40–51.
Munevar, S. , Wang, Y.L. & Dembo, M. (2004).Regulation of mechanical interactions between fibroblasts and thesubstratum by stretch-activated Ca2+ entry.J Cell Sci 117,85–92.
Grinnell, F. (2000).Fibroblast-collagen matrix contraction: Growth factor signaling andmechanical loading.Trends Cell Biol 10,362–365.
Baish, J.W. & Jain, R.K. (2000).Fractals and cancer.Cancer Res 60,3683–3688.
Grinnell, F. & Ho, C.-H. (2002).Transforming growth factor beta stimulates fibroblast-collagenmatrix contraction by different mechanisms in mechanically loaded andunloaded matrices.Expt Cell Res 273,248–255.
Thomason, D.B. , Anderson, O., 3rd & Menon, V. (1996).Fractal analysis of cytoskeleton rearrangement in cardiac muscleduring head-down tilt.J Appl Physiol 81,1522–1527.
Sedivy, R. , Thurner, S. , Budinsky, A.C. , Kostler, W.J. & Zielinski, C.C. (2002).Short-term rhythmic proliferation of human breast cancer cell lines:Surface effects and fractal growth patterns.J Pathol 197,163–169.
Lee, A.A. , Delhaas, T. , McCulloch, A.D. & Villarreal, F.J. (1999).Differential responses of adult cardiac fibroblasts to in vitrobiaxial strain patterns.J Mol Cell Cardiol 31,1833–1843.
Ruwhof, C. & van der Laarse, A. (2000).Mechanical stress-induced cardiac hypertrophy: Mechanisms and signaltransduction pathways.Cardiovas Res 47,23–37.
Glenny, R.W. , Robertson, H.T. , Yamashiro, S. & Bassingthwaighte, J.B. (1991).Applications of fractal analysis to physiology.J Appl Physiol 70,2351–2367.
Rexed, B. (1952).The cytoarchitectonic organization of the spinal cord in thecat.J Comp Neurol 96,415–496.
MacKenna, D. , Summerour, S.R. & Villarreal, F.J. (2000).Role of mechanical factors in modulating cardiac fibroblast functionand extracellular matrix synthesis.Cardiovasc Res 46,257–263.
Carver, W. , Nagpal, M.L. , Nachtigal, M. , Borg, T.K. & Terracio, L. (1991).Collagen expression in mechanically stimulated cardiacfibroblasts.Circ Res 69,116–122.
Lee, A.A. , Delhaas, T. , Waldman, L.K. , MacKenna, D.A. , Villarreal, F.J. & McCulloch, A.D. (1996).An equibiaxial strain system for cultured cells.Am J Physiol 271,C1400–C1408.
Borg, T.K. & Caulfield, J.B. (1981).The collagen matrix of the heart.Fed Proc 40,2037–2041.
Geiger, B. & Bershadsky, A. (2001).Assembly and mechanosensory function of focal contacts.Curr Opin Cell Biol 13,584–592.
Borg, T.K. , Rubin, K. , Lundgren, E. , Borg, K. & Obrink, B. (1984).Recognition of extracellular matrix components by neonatal and adultcardiac myocytes.Dev Biol 104,86–96.
Walter, R.J., Jr. & Berns, M.W. (1986).Digital image processing and analysis. InVideo Microscopy, Inoue, S. (Ed.), pp327–392.New York and London:Plenum Press.
Costa, K.D. , May-Newman, K. , Farr, D. & O'Dell, W.G. (1997).Three dimensional residual strain in midanterior canine leftventricle.Am J Physiol 273,H1968–H1976.
Weber, K.T. (1989).Cardiac interstitium in health and disease: The fibrillar collagennetwork.J Am Coll Cardiol 13,1637–1652.
Fernandez, E. & Jelinek, H.F. (2001).Use of fractal theory in neuroscience: Methods, advantages, andpotential problems.Methods 24,309–321.
Tian, B. , Liu, J. , Bitterman, P. & Bache, R.J. (2003).Angiotensin II modulates nitric oxide-induced cardiac fibroblastapoptosis by activation of AKT/PKB.Am J Physiol Heart Circ Physiol 285,H1105–H1112.
Tamariz, E. & Grinnell, F. (2002).Modulation of fibroblast morphology and adhesion during collagenmatrix remodeling.Mol Biol Cell 13,3915–3929.
Ramon-Moliner, E. (1962).An attempt at classifying nerve cells on the basis of theirdendritic patterns.J Comp Neurol 119,211–227.
Zhang, L. , Liu, J.Z. , Dean, D. , Sahgal, V. & Yue, G.H. (2005).A three dimensional fractal analysis method for quantifying whitematter structure in human brain.J Neurosci Methods 150,242–253.
Borodinsky, L.N. & Fiszman, M.L. (2001).A single-cell model to study changes in neuronal fractaldimension.Methods 24,341–345.
Sussman, M.A. , McCulloch, A. & Borg, T.K. (2002).Dance band on the Titanic. Biomechanical signaling incardiac hypertrophy.Circ Res 91,888–898.
Wick, N. , Thurner, S. , Paiha, K. , Sedivy, R. , Vietor, I. & Huber, L.A. (2003).Quantitative measurement of cell migration using time-lapsevideomicroscopy and non-linear system analysis.Histochem Cell Biol 119,15–20.
Caldwell, C.B. , Moran, E.L. & Bogoch, E.R. (1998).Fractal dimension as a measure of altered trabecular bone inexperimental inflammatory arthritis.J Bone Miner Res 13,978–985.
Rexed, B. (1954).The cytoarchitectonic atlas of the spinal cord in the cat.J Comp Neurol 100,297–380.
Sorescu, D. & Griendling, K.K. (2002).Reactive oxygen species, mitochondria, and NAD(P)H oxidases in thedevelopment and progression of heart failure.Congest Heart Failure 8,132–140.
Bona, A.D. , Hill, T.J. & Mecholsky, J.J., Jr. (2001).The effect of contour angle on fractal dimension measurements forbrittle materials.J Material Sci 36,2645–2650.
DeMeester, S.L. , Cobb, J.P. , Hotchkiss, R.S. , Osborne, D.F. , Karl, I.E. , Tinsley, K.W. & Buchman, T.G. (1998).Stress-induced fractal rearrangement of the endothelial cellcytoskeleton causes apoptosis.Surgery 124,362–371.
Montague, P.R. & Friedlander, M.J. (1991).Morphogenesis and territorial coverage by isolated mammalian retinalganglion cells.J Neurosci 11,1440–1457.
Behar, T.N. (2001).Analysis of fractal dimension of O2A glial cells differentiating invitro.Methods 24,331–339.
Grizzi, F. , Russo, C. , Colombo, P. , Franceschini, B. , Frezza, E.E. , Cobos, E. & Chiriva-Internati, M. (2005).Quantitative evaluation and modeling of two-dimensional neovascularnetwork complexity: The surface fractal dimension.BMC Cancer 5,14–23.
Anderson, J.C. , Babb, A.L. & Hlastala, M.P. (2005).A fractal analysis of the radial distribution of bronchialcapillaries around large airways.J Appl Physiol 98,850–855.
Landini, G. (1996).Applications of fractal geometry in pathology. InFractal Geometry in Biological Systems, An AnalyticalApproach, Iannaccone, P.M. & Khokha, M. (Eds.), pp.205–246.New York:CRC Press.
Nezadal, M. , Zemeskal, O. & Buchnicek, M. (2001). The box-counting: critical study. In4th Conference on Prediction, Synergetic and more. The Faculty ofManagement, Institute of Information Technologies, Faculty of Technology,Tomas Bata University in Zlin, October 25–26. p. 18. HarFA software(http://www.fch.vutbr.cz/lectures/imagesci).
Bishop, J.E. (1998).Regulation of cardiovascular collagen deposition by mechanicalforces.Mol Med Today 4,69–75.
Bernard, F. , Bossu, J.L. & Gaillard, S. (2001).Identification of living oligodendrocyte developmental stages byfractal analysis of cell morphology.J Neurosci Res 65,439–445.