Überlagerung von Substratdeformationsfeldern, die durch molekulare Kupplungen induziert werden, erklärt die räumliche Wahrnehmung von Liganden durch Zellen

Zellen können die physikalischen Eigenschaften der extrazellulären Matrizen (ECMs), wie Steifigkeit und Ligandendichte, durch Zelladhäsionen wahrnehmen, um ihr Verhalten aktiv zu regulieren. Jüngste Studien haben gezeigt, dass variierende Ligandabstände der ECMs die Adhesionsgröße, die Zellverbreitung und sogar die Differenzierung von Stammzellen beeinflussen können, was darauf hinweist, dass Zellen die Fähigkeit zur räumlichen Wahrnehmung von ECM-Liganden besitzen. Der Mechanismus der räumlichen Wahrnehmung der Zellen bleibt jedoch unklar. In dieser Studie haben wir ein Modell für eine Gitterfeder-Motor-Kupplung entwickelt, indem wir die Deformation der Zellmembran, den Entfaltungmechanismus von Talin und die Gitterfeder für die Ligandenverteilung am Substrat integriert haben, um zu untersuchen, wie die räumliche Verteilung von Integrin-Liganden und die Substratsteifigkeit die Zellverbreitung und die Dynamik der Adhesion beeinflussen. Durch die Anwendung des Gillespie-Algorithmus fanden wir heraus, dass große Ligandabstände den Überlagerungseffekt der von Zugkräften der Motor-Kupplungseinheiten erzeugten Verschiebungsfelder des Substrats verringern und die effektive Steifigkeit erhöhen, die von den kraftempfindlichen Rezeptoren wahrgenommen wird; dieses Ergebnis erklärt eine Reihe früherer Experimente. Darüber hinaus erhalten wir unter Verwendung der Mean-Field-Theorie analytisch die von gebundenen Kupplungen wahrgenommene effektive Steifigkeit; unsere Analyse zeigt, dass die Anzahl der gebundenen Kupplungen und der Ligandabstand die beiden Schlüsselfaktoren sind, die die Überlagerungseffekte der Deformationsfelder und somit die effektive Steifigkeit beeinflussen. Insgesamt zeigt unsere Studie den Mechanismus der räumlichen Wahrnehmung von Zellen auf, d.h. Ligandabstände verändern die von Zellen wahrgenommene effektive Steifigkeit aufgrund des Überlagerungseffekts der Deformationsfelder, was einen physikalischen Hinweis für das Design und die Entwicklung biologischer Materialien liefert, die das Zellverhalten und die Funktion effektiv steuern.