세포군집이동 (collective cell migration)은 발생, 상처치유, 암세포 전이 등 생물학적으로 매우 중요한 이벤트에서 공통적으로 관찰되는 현상으로, 그 원리를 밝히기 위해 다양한 시도가 있어왔다. 하지만 기존의 세포군집이동을 연구하기 위한 여러 실험 모델들은 무작위의 소수세포군집 또는 세포군집의 일부만을 관찰하였기 때문에 군집이동시 세포군집 내 변화되는 요소의 분포분석이나 정량화가 어려웠다. Madin-Darby canine kidney (MDCK) cell은 ...
세포군집이동 (collective cell migration)은 발생, 상처치유, 암세포 전이 등 생물학적으로 매우 중요한 이벤트에서 공통적으로 관찰되는 현상으로, 그 원리를 밝히기 위해 다양한 시도가 있어왔다. 하지만 기존의 세포군집이동을 연구하기 위한 여러 실험 모델들은 무작위의 소수세포군집 또는 세포군집의 일부만을 관찰하였기 때문에 군집이동시 세포군집 내 변화되는 요소의 분포분석이나 정량화가 어려웠다. Madin-Darby canine kidney (MDCK) cell은 세뇨관 (renal tubule)을 이루는 신장외피세포로써 세포군집이동의 실험모델로 많이 사용된다. 또한 많은 in vitro 연구에서 MDCK 세포군집에 차이를 보기 위한 실험군을 만들기 위해 scatter factor로 알려진 hepatocyte growth factor (HGF)를 이용하였다. 하지만 이와 같은 연구들은 그들이 사용한 세포 및 물질의 생리학적 의미를 고려하지 않았던 결점이 있었다. 이에 본 연구에서는 생리적 조건을 반영한 새로운 세포군집이동 연구 모델을 설정하여 모양과 세포 수 및 크기를 조절하고 soluble factor의 농도구배 환경에서 세포군집이동을 관찰할 수 있는 시스템을 개발하였으며, 세포이동 및 힘을 정량화할 수 있는 실험적 기법 및 분석 방법을 적용하고 발전시켜 기존 생물학적 실험에서 볼 수 없는 세포군집이동의 정량 분석이 가능하도록 하였다. HGF에 의한 신장상피세포의 군집성 산란은 세포의 힘과 힘 관련 단백질의 균형을 파괴하기 때문이다라는 가설을 바탕으로 제안된 시스템을 이용하여 실험한 결과, HGF가 MDCK세포군집의 이동성에 대한 협응성 및 인장력에 대한 지속성을 저하시킨다는 것을 밝힐 수 있었다. 뿐만 아니라 HGF가 actin 부착 단백질 복합체들의 구조적 분산을 유발하여 두꺼운 섬유다발의 형성을 억제함으로써 세포간 인장력의 장거리 전달 및 유지를 저해시키고 군집 이동의 협응성을 낮추게 되었음을 알 수 있었다. 또한 신장재생환경조건에 더 가까운 조건을 모사하기 위해 미세유체장비를 이용한 HGF의 농도구배 하의 MDCK 세포군집이동을 관찰한 결과 세포 군집의 불균형적인 집단 이동을 볼 수 있었다. 이는 HGF가 지엽적으로 vinculin의 분포변화를 일으켜 섬유다발의 발달을 부분적으로 억제함에 따라 인장력 불균형 분포에 의해 세포 군집의 확장을 치우치게 만들어 불균형적인 형태의 세포 군집을 이룬다고 결론지을 수 있었다. 본 연구는 세포군집이동의 기전을 이해하기 위해 세포군집이동을 관찰하고 조절할 수 있는 in vitro 실험 시스템을 개발하고 더 나아가 기존의 생물학적 분석뿐만 아니라 물리학적 분석을 접목시킴으로써 세포의 힘과 단백질 간의 상관관계를 이해하는데 그 의의를 가진다. 본 연구에서 개발한 시스템을 이용하여 신장재생환경뿐만 아니라 발생, 상처치유 또는 암세포 전이와 같은 다양한 in vivo 환경에서 세포군집이동을 관찰하고 제어함으로써 여전히 풀지 못한 시의 세포군집이동기전을 이해하는데 보탬이 될 것을 기대한다.
세포군집이동 (collective cell migration)은 발생, 상처치유, 암세포 전이 등 생물학적으로 매우 중요한 이벤트에서 공통적으로 관찰되는 현상으로, 그 원리를 밝히기 위해 다양한 시도가 있어왔다. 하지만 기존의 세포군집이동을 연구하기 위한 여러 실험 모델들은 무작위의 소수세포군집 또는 세포군집의 일부만을 관찰하였기 때문에 군집이동시 세포군집 내 변화되는 요소의 분포분석이나 정량화가 어려웠다. Madin-Darby canine kidney (MDCK) cell은 세뇨관 (renal tubule)을 이루는 신장외피세포로써 세포군집이동의 실험모델로 많이 사용된다. 또한 많은 in vitro 연구에서 MDCK 세포군집에 차이를 보기 위한 실험군을 만들기 위해 scatter factor로 알려진 hepatocyte growth factor (HGF)를 이용하였다. 하지만 이와 같은 연구들은 그들이 사용한 세포 및 물질의 생리학적 의미를 고려하지 않았던 결점이 있었다. 이에 본 연구에서는 생리적 조건을 반영한 새로운 세포군집이동 연구 모델을 설정하여 모양과 세포 수 및 크기를 조절하고 soluble factor의 농도구배 환경에서 세포군집이동을 관찰할 수 있는 시스템을 개발하였으며, 세포이동 및 힘을 정량화할 수 있는 실험적 기법 및 분석 방법을 적용하고 발전시켜 기존 생물학적 실험에서 볼 수 없는 세포군집이동의 정량 분석이 가능하도록 하였다. HGF에 의한 신장상피세포의 군집성 산란은 세포의 힘과 힘 관련 단백질의 균형을 파괴하기 때문이다라는 가설을 바탕으로 제안된 시스템을 이용하여 실험한 결과, HGF가 MDCK세포군집의 이동성에 대한 협응성 및 인장력에 대한 지속성을 저하시킨다는 것을 밝힐 수 있었다. 뿐만 아니라 HGF가 actin 부착 단백질 복합체들의 구조적 분산을 유발하여 두꺼운 섬유다발의 형성을 억제함으로써 세포간 인장력의 장거리 전달 및 유지를 저해시키고 군집 이동의 협응성을 낮추게 되었음을 알 수 있었다. 또한 신장재생환경조건에 더 가까운 조건을 모사하기 위해 미세유체장비를 이용한 HGF의 농도구배 하의 MDCK 세포군집이동을 관찰한 결과 세포 군집의 불균형적인 집단 이동을 볼 수 있었다. 이는 HGF가 지엽적으로 vinculin의 분포변화를 일으켜 섬유다발의 발달을 부분적으로 억제함에 따라 인장력 불균형 분포에 의해 세포 군집의 확장을 치우치게 만들어 불균형적인 형태의 세포 군집을 이룬다고 결론지을 수 있었다. 본 연구는 세포군집이동의 기전을 이해하기 위해 세포군집이동을 관찰하고 조절할 수 있는 in vitro 실험 시스템을 개발하고 더 나아가 기존의 생물학적 분석뿐만 아니라 물리학적 분석을 접목시킴으로써 세포의 힘과 단백질 간의 상관관계를 이해하는데 그 의의를 가진다. 본 연구에서 개발한 시스템을 이용하여 신장재생환경뿐만 아니라 발생, 상처치유 또는 암세포 전이와 같은 다양한 in vivo 환경에서 세포군집이동을 관찰하고 제어함으로써 여전히 풀지 못한 시의 세포군집이동기전을 이해하는데 보탬이 될 것을 기대한다.
Collective cell migration has been commonly observed in biologically important events such as development, wound healing, and cancer cell metastasis. Thus, various attempts have been made to identify the mechanism of the movement pattern of cell collectives. However, since several experimental model...
Collective cell migration has been commonly observed in biologically important events such as development, wound healing, and cancer cell metastasis. Thus, various attempts have been made to identify the mechanism of the movement pattern of cell collectives. However, since several experimental models for studying the cellular collective movement have observed only a randomly distributed small number of cells or a part of cell clusters, it has been difficult to analyze and quantify the distribution of the changes in the cell cluster during migrating. Madin-Darby canine kidney (MDCK) cell, which is a renal epithelial cell that constitutes the renal tubule, is widely used as an experimental model for studying collective cell migration. In addition, in a number of in vitro studies, hepatocyte growth factor (HGF), known as scatter factor, was easily used as an experimental condition for modulating MDCK cell migration. However, these studies have had a fault that did not take into account the physiological significance of the cells and materials they used. This dissertation, therefore, suggests a novel experimental model for studying collective cell migration that reflects physiological conditions. The multicellular model is able to control the shape, number, and size of cell clusters by patterning, and to test the collective behaviors of multi-cells under the concentration gradient of a soluble factor by incorporating into a microfluidic device. Moreover, experimental techniques and analytical methods to quantify the migration and force of the cell collectives are applied and developed to enable quantitative analysis of the cell clusters not found in conventional biological experiments. Based on the hypothesis that HGF-induced scattering of renal epithe-lium collectiveness may be due to breaking the symmetry of the cellular forces and the force-related proteins, the results using the proposed system revealed that HGF decreased the cooperativity of migration and the persistence of tensile strength within MDCK cell collectives. In addition, HGF-induced structural dispersion of actin-associated protein complexes inhibited the formation of thick fiber bundles that sustain the intercellular tension through long-distance, thereby reducing cooperative movement of collective cells. Furthermore, the MDCK cell cluster under a concentration gradient of HGF using a microfluidic device to mimic the physiological conditions of renal re-generation showed the unbalanced collective migration. It was concluded that HGF gradient partially localized the distribution of vinculin and the region was shown the developmental inhibition of the thick fiber bundles. Therefore, the symmetry breaking of cell clusters was due to the unbalanced distribution of the tensile forces and the biased collective migration by HGF gradient. The purpose of this study is to develop an in vitro experimental system that can observe and control the movement of cell collectives and furthermore to understand the relationship between cellular force and force-related protein through combining physical analysis as well as conventional biological analysis. By observing and controlling collective cell migration not only in the renal regeneration environment but in various in vivo environments, such as development, wound healing or cancer metastasis, using the system developed in this study, it will be helpful to understand the mechanical and biological mechanism in the various type of collective cell behaviors.
Collective cell migration has been commonly observed in biologically important events such as development, wound healing, and cancer cell metastasis. Thus, various attempts have been made to identify the mechanism of the movement pattern of cell collectives. However, since several experimental models for studying the cellular collective movement have observed only a randomly distributed small number of cells or a part of cell clusters, it has been difficult to analyze and quantify the distribution of the changes in the cell cluster during migrating. Madin-Darby canine kidney (MDCK) cell, which is a renal epithelial cell that constitutes the renal tubule, is widely used as an experimental model for studying collective cell migration. In addition, in a number of in vitro studies, hepatocyte growth factor (HGF), known as scatter factor, was easily used as an experimental condition for modulating MDCK cell migration. However, these studies have had a fault that did not take into account the physiological significance of the cells and materials they used. This dissertation, therefore, suggests a novel experimental model for studying collective cell migration that reflects physiological conditions. The multicellular model is able to control the shape, number, and size of cell clusters by patterning, and to test the collective behaviors of multi-cells under the concentration gradient of a soluble factor by incorporating into a microfluidic device. Moreover, experimental techniques and analytical methods to quantify the migration and force of the cell collectives are applied and developed to enable quantitative analysis of the cell clusters not found in conventional biological experiments. Based on the hypothesis that HGF-induced scattering of renal epithe-lium collectiveness may be due to breaking the symmetry of the cellular forces and the force-related proteins, the results using the proposed system revealed that HGF decreased the cooperativity of migration and the persistence of tensile strength within MDCK cell collectives. In addition, HGF-induced structural dispersion of actin-associated protein complexes inhibited the formation of thick fiber bundles that sustain the intercellular tension through long-distance, thereby reducing cooperative movement of collective cells. Furthermore, the MDCK cell cluster under a concentration gradient of HGF using a microfluidic device to mimic the physiological conditions of renal re-generation showed the unbalanced collective migration. It was concluded that HGF gradient partially localized the distribution of vinculin and the region was shown the developmental inhibition of the thick fiber bundles. Therefore, the symmetry breaking of cell clusters was due to the unbalanced distribution of the tensile forces and the biased collective migration by HGF gradient. The purpose of this study is to develop an in vitro experimental system that can observe and control the movement of cell collectives and furthermore to understand the relationship between cellular force and force-related protein through combining physical analysis as well as conventional biological analysis. By observing and controlling collective cell migration not only in the renal regeneration environment but in various in vivo environments, such as development, wound healing or cancer metastasis, using the system developed in this study, it will be helpful to understand the mechanical and biological mechanism in the various type of collective cell behaviors.
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