Effect of mechanical stretching on cell adhesion

Abstract

Tissues in vivo live in complex niches where physiological and mechanical factors affect cell proliferation, shape, differentiation, etc. Unfortunately, conventional cell culture tools such as two-dimensional (2D) culture in petri dishes cannot provide cells with these factors and as a result cellular behaviors in 2D culture may be different from those in vivo. This discrepancy often leads to misunderstanding of cellular behaviors and misinterpretation of cell responses to drugs. The motivation of my thesis lies from the discrepancy between in vivo and in vitro cell niches. Through this thesis, I tried to address this problem and develop a new device offering mechanical stimuli to cells, hoping that the device will show hidden mechanobiological aspects of cell upon mechanical stimuli. In Chapter I, I overviewed conventional cell culture devices and the-state-of-the-art stretching devices to address biological and mechanical issues raised from these methods in reflecting mechanical response of cells to stretching. Stretching devices vary, depending on their actuation modes and stretching direction. In Chapter II, I described microfabricated stretching device allowing ECM substrates to be equibiaxially stretched in various frequencies. This device was used to investigate the effect of stretching on cell elongation and following a cell’s determination on its division axis. My motivation for this experiment came from Hertwig’s rule stating that cell division axis is vertical to long axis of cell. I wondered if mechanically stretched cells also follow this rule. In details, retinal pigment epithelial-1 (RPE-1) cells were stretched using the device and following cell division axis was observed. Through this experiment, it was determined that RPE-1 cells can be maximally 47.6% elongated when they were cyclically stretched at 10 Hz with 10% strain right after cell seeding. Simultaneously, cell area was 33.5% reduced with stretching of the same condition. Cell images were taken with this condition and spindle angle were analyzed with these images. Followed the expectation that cell division axis would be more aligned to the vertical long axis of the cell as RPE-1 becomes more elongated by stretching, significant relation was observed in this experiment. This suggests that the equibiaxial cyclic stretching device can be used for testifying Hertwig’s rule with cell elongation of RPE-1 cells. As a whole, the equibiaxial cyclic stretching device would be utilized for studying the stretching effect on cells in applied sciences as well as in basic sciences.;생체 내 세포 조직은 생리적, 물리적 요인들이 세포 증식, 모양, 분화 등에 영향을 주는 복잡한 환경에서 살아간다. 그러나 배양 접시에서의 이차원적 배양과 같은 기존의 세포배양 방법은 세포에게 이러한 요인들을 제공하지 못하고, 실제 생체 내의 세포 반응과 차이를 보이게 된다. 이러한 차이는 세포 행동이나 약물에 대한 세포 반응을 잘못 이해하고 해석하는 결과를 가져온다. 이 논문에서는, 이러한 생체 내와 생체 밖의 세포의 환경 차이에 의한 문제점을 극복하기 위해서, 세포에 물리적 자극을 주는 새로운 장치를 개발하여 세포의 알려지지 않은 기계생물학적인 측면을 보여주고자 했다. 제 1장에서는 세포가 받게 되는 몇 가지 물리적 자극을 살펴보고, 특히 스트레칭을 주었을 때 세포에 어떤 물리적 반응을 주게 되는가를 살펴보았다. 작동원리와 스트레칭 방향 등에 따라 다양한 스트레칭 유발 장치들도 알아보았다. 제 2장에서는 다양한 진동수와 세기로 ECM 기질에 전방향적인 스트레칭을 줄 수 있는 마이크로 공정 스트레칭 장치를 설명하고, 이 장치를 통해 스트레칭이 세포의 신장과 세포 분열면의 결정에 미치는 영향을 조사하였다. 이 실험은 세포분열시 세포분열선이 세포의 긴 축 방향에 수직되게 형성된다는 ‘허티그의 법칙’에서 착안하였다. 이 실험에서 망막색소표피세포(RPE-1)의 스트레칭에 의한 신장 정도와 이에 따른 세포분열면을 관찰하였다. 망막색소표피세포는 세포를 표면에 뿌리고 난 직후 10 Hz, 10% 로 스트레칭을 주었을 때 50.2% 더 길어져 가장 신장되었다. 세포면적이 35.6% 감소하는 영향도 보였다. 이 조건에서 세포 이미지를 실시간으로 찍어, 세포의 세포막이 분열되는 시점의 세포분열선이 세포의 장축의 수직에 대해 얼마나 기울어졌는지 각도를 측정하였다. 세포가 길어질수록 세포분열선이 세포의 장축의 수직에 더 나란히 맞춰졌다. 결론적으로, 세포의 전방향 반복 스트레칭 디바이스를 통해 RPE-1 세포를 신장시킬 수 있으며, 이러한 스트레칭에 의한 세포의 신장에 따라 세포분열면을 세포 장축의 수직면에 더 잘 맞춰져 허티그 법칙을 설명할 수 있다. 그리고 이 전방향 스트레칭 디바이스를 기초과학 뿐 아니라 응용과학 분야에서도 스트레칭이 세포에 미치는 영향을 살펴보는 데 이용할 수 있을 것이라 기대한다.