Mechanically-Driven Pattern Formation in Cell Cultures

Abstract

A migração celular é um mecanismo fundamental que permite a ocorrência de vários fenómenos biológicos, como por exemplo, embriogénese, vasculogénese, angiogénese e resposta do sistema imunitário, e ainda não é compreendido na sua totalidade. Problemas durante este processo levam muitas vezes ao aparecimento de doenças e complicações. Efectivamente, a migração celular é uma das características distintas de células tumorais malignas. Ao estudar os padrões emergentes de células, é possível desvendar este processo. Um modelo bidimensional de dinâmica celular que une um método de elementos finitos (FEM), para deformações da matriz extracelular (ECM), a um modelo de Potts celular (CPM), para movimento e adesão celular. Um modelo para a produção de forças de tracção e outro para a detecção de sinais mecânicos foram usados para acoplar o FEM ao CPM. Este modelo foi usado para estudar comportamento celular emergente mecânicamente induzido. Métodos de análise de imagem foram adaptados a fim de classificar e quantificar a morfologia dos padrões resultantes. No contexto da vasculogénese, os resultados demonstram que, para certos valores de adesão célula-célula e de forças de tração, existe um valor máximo do número médio de malhas e que, ao diminuir o custo de adesão célula-célula, o tamanho médio de malhas aumenta, enquanto o número médio de malhas diminui. Além disso, sinais mecânicos, juntamente com adesão célula-célula, permitem que células num substrato mais duro puxem várias células do substrato mais mole. A angiogénese (sprouting) também foi testada e, apesar da proliferação celular não estar contemplada neste modelo, sinais mecânicos são suficientes para polarizar células à superfície do esferóide, formando sprouts. Células com maior força de tração conduzem a sprouts maiores, a mais bifurcações e à observação de anastomoses, sugerindo que as tip cells se agarram com mais força ao substrato. Finalmente, foi simulado um tumor avascular. O feedback mecânico prevê rugosidades à superfície do tumor. A capacidade de invasão de células metásticas aumenta com a força de tração e os sinais mecânicos causados por estas células induzem protrusões de células tumorais normais na superfície do tumor.