Mean-field interactions between living cells in linear and nonlinear elastic matrices
本論文は、周囲の媒体を変形させるために必要な仕事を算出することによって、生細胞が線形および非線形弾性マトリックス内でどのように機械的に相互作用するかを調査しており、線形マトリックスにおいては相互作用エネルギーが細胞の幾何学的形状と材料特性に依存する一方で、ひずみ硬化性非線形マトリックスにおいては細胞の収縮が発散するせん断応力によって制限されることを明らかにしている。
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生細胞は、単に体内を漂う受動的な乗客ではありません。彼らは、自らを取り囲む柔らかいゲル状の物質に対して絶えず押し引きを行う、能動的なエンジニアなのです。この物質は「細胞外マトリックス」として知られ、足場としての役割を果たすだけでなく、通信ネットワークとしても機能しています。細胞が収縮すると、その細胞は周囲のゲルの中に微細なストレスと歪みの波を作り出し、それによって、細胞同士が直接触れ合うことなく、遠く離れた細胞の存在を感じ取ることができるようになります。この機械的な対話は生命にとって不可欠であり、幹細胞がいかにして特定の組織へと分化するか、傷がどのように塞がるか、そして胚がいかにして形作られるかを導いています。科学者たちは、こうした力が存在することを古くから理解してきましたが、細胞がこの弾性ウェブを通じてどのように相互作用するか、特に材料自体が圧力の下でその特性を変化させる場合において、その正確な規則を特定することは困難でした。
テルアビブ大学の研究チームは、周囲の環境の硬さが隣接する細胞間の関係をどのように変えるかに焦点を当て、これらの相互作用を新たな明晰さをもって描き出しました。彼らは、細胞が取り得る2つの異なる振る舞いを調査しました。ある細胞は、直面する抵抗に関わらず一定量だけ縮もうとする「硬い定規」のように振る舞い、別の細胞は、一定の力を加え続け、その結果としての動きを変化させる「一定圧力ポンプ」のように振る舞います。細胞を弾性材料の中に埋め込まれた球体や円柱として数学的にモデル化することで、チームは細胞が周囲を変形させるために必要な機械的な仕事量を算出しました。彼らの研究は、一つの根本的なルールを明らかにしています。すなわち、形状を制御する細胞は互いに反発し、力を制御する細胞は互いに引き合うということです。
研究者たちは、周囲の材料が、引力に比例して伸びる標準的なゴムバンドのように予測通りに振る舞う世界を検証することから始めました。この線形な世界において、彼らは細胞間の距離が極めて重要であることを発見しました。細胞が一定量だけ縮もうとする際、隣接する細胞の存在は作業を困難にします。隣の細胞が障壁となり、細胞が同じ収縮を実現するためには、より強く材料を押し返すことを強いるのです。この余分な努力は正のエネルギーコストとなり、細胞間の反発力へと変換されます。逆に、もし細胞が一定量の力を加える場合、隣接する細胞の存在は細胞の動きを妨げます。その結果、細胞は単独の場合よりも縮小の程度が小さくなりますが、この動きの減少はシステム全体のエネルギーを低下させ、引き合う力を生み出します。研究は、これらの単純な線形材料において、この相互作用の強さが細胞間の距離や材料の硬さに依存するものの、細胞が形状を制御している場合には細胞自身の内部の硬さには依存しないことを確認しました。
しかし、現実の世界はこれほど単純ではありません。細胞を取り囲む生物学的ゲルは、均一なゴムバンドではなく、引き伸ばされたり剪断されたりすると著しく硬くなる繊維の複雑なネットワークです。この現象は「歪み硬化（ストレイン・スティフニング）」と呼ばれ、これは力が強まるにつれて材料がますます激しく抵抗することを意味します。研究者たちは、これらのより現実的で強化される環境における細胞の相互作用をシミュレートするために、モデルをこの非線形な挙動を含むように拡張しました。その結果、彼らは、このような環境に囲まれた細胞が収縮できる量には劇的な限界があることを発見しました。細胞が縮もうとすると、周囲のゲルの剪断応力は急激に上昇します。ゲルはこのストレスを受けて硬化するため、最終的には細胞がどれほど力を注いだとしても、それ以上縮むことができないほど強力な抵抗となります。研究者たちは、隣の細胞との距離や材料固有の限界によって決定される、混雑した非線形環境における細胞の最大収縮量が存在することを見出しました。
これらの非線形シナリオにおいて、相互作用エネルギーは単純な線形の場合とは異なる挙動を示します。形状を維持しようとする細胞の場合、収縮に必要なエネルギーは急速に増大し、その最大限界において最終的に無限大となり、細胞をその場に固定してしまいます。一定の力を加える細胞の場合、相互作用は依然として吸引的ですが、力と動きの関係は非常に複雑になります。チームのシミュレーションによれば、これらの混沌とした硬化環境においても、基本的なルールは維持されます。すなわち、形状を制御する細胞は反発し、力を制御する細胞は引き合うということです。この研究は、硬化するゲルの中を移動するための機械的なコストが細胞の振る舞いの主要な要因であることを示唆しており、細胞が混雑した組織の中でなぜ移動を停止したり、特定のパターンに整列したりするのかを説明できる可能性があります。細胞を受動的な弾性物体として扱い、周囲の媒体の力学に焦点を当てることで、研究者たちは、物理的な世界がいかにして生きる細胞の社会的行動を規定しているかについて、明確かつ定量的な姿を提示しました。
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