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代谢的基质驱动变化支持细胞骨架活性以促进细胞迁移。

Matrix-driven changes in metabolism support cytoskeletal activity to promote cell migration.

机构信息

Department of Biomedical Engineering, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee.

Department of Biomedical Engineering, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee; Nancy E. and Peter C. Meinig School of Biomedical Engineering, Cornell University, Ithaca, New York.

出版信息

Biophys J. 2021 May 4;120(9):1705-1717. doi: 10.1016/j.bpj.2021.02.044. Epub 2021 Mar 9.

Abstract

The microenvironment provides both active and passive mechanical cues that regulate cell morphology, adhesion, migration, and metabolism. Although the cellular response to those mechanical cues often requires energy-intensive actin cytoskeletal remodeling and actomyosin contractility, it remains unclear how cells dynamically adapt their metabolic activity to altered mechanical cues to support migration. Here, we investigated the changes in cellular metabolic activity in response to different two-dimensional and three-dimensional microenvironmental conditions and how these changes relate to cytoskeletal activity and migration. Utilizing collagen micropatterning on polyacrylamide gels, intracellular energy levels and oxidative phosphorylation were found to be correlated with cell elongation and spreading and necessary for membrane ruffling. To determine whether this relationship holds in more physiological three-dimensional matrices, collagen matrices were used to show that intracellular energy state was also correlated with protrusive activity and increased with matrix density. Pharmacological inhibition of oxidative phosphorylation revealed that cancer cells rely on oxidative phosphorylation to meet the elevated energy requirements for protrusive activity and migration in denser matrices. Together, these findings suggest that mechanical regulation of cytoskeletal activity during spreading and migration by the physical microenvironment is driven by an altered metabolic profile.

摘要

微环境提供主动和被动的机械线索,调节细胞形态、黏附、迁移和代谢。尽管细胞对这些机械线索的反应通常需要能量密集的肌动蛋白细胞骨架重塑和肌球蛋白收缩,但目前尚不清楚细胞如何动态地调整其代谢活性以适应改变的机械线索,从而支持迁移。在这里,我们研究了细胞代谢活性对不同二维和三维微环境条件的响应变化,以及这些变化与细胞骨架活性和迁移的关系。利用聚丙酰胺凝胶上的胶原微图案化,发现细胞内能量水平和氧化磷酸化与细胞伸长和铺展有关,并与细胞膜皱襞的形成有关。为了确定这种关系是否适用于更生理的三维基质,我们使用胶原基质表明细胞内能量状态也与突起活性有关,并随基质密度增加而增加。氧化磷酸化的药理学抑制表明,癌细胞依赖氧化磷酸化来满足在更密集的基质中突起活性和迁移的增加的能量需求。总之,这些发现表明,物理微环境在铺展和迁移过程中对细胞骨架活性的机械调节是由代谢特征的改变驱动的。

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