Multiscale computational modeling of single cell migration in 3D

Borau Zamora, Carlos
García Aznar, José Manuel (dir.) ; Kamm, Roger (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2013


Resumen: La migración celular es un proceso complejo, orquestado por factores químicos y biológicos, por la microestructura y por las propiedades mecánicas de la matriz extracelular. Este fenómeno es fundamental para el desarrollo de tejidos en los organismos pluricelulares, y como seres humanos, nos acompaña durante toda la vida, desde el mismo momento de la concepción hasta la muerte. Juega un papel fundamental durante el desarrollo embrionario determinando la formación de los diferentes órganos (morfogénesis) y es clave en todos los procesos regenerativos como la renovación de la piel, la respuesta inflamatoria o la cicatrización de heridas. Sin embargo, también contribuye al desarrollo de procesos patológicos como la metástasis, el retraso mental, la osteoporosis o enfermedades vasculares entre otros. Es por ello de vital importancia el conocer los mecanismos fundamentales que controlan la migración celular con el fin de tratar de manera efectiva las diferentes patologías, así como avanzar en el trasplante de órganos y el desarrollo de tejidos artificiales. Así pues, el objetivo de esta Tesis es el desarrollo de modelos a distintas escalas y centrados en diversos aspectos de la migración, de manera que faciliten la compresión de fenómenos específicos y sirvan como guía para el diseño de experimentos. Dada la complejidad y las grandes diferencias respecto a la migración colectiva, todos los modelos y análisis de esta Tesis se centran en células individuales. En primer lugar se ha estudiado la migración tridimensional de una célula individual embebida en una matriz extracelular donde su velocidad y orientación se consideran reguladas por estímulos mecánicos. Para ello se ha desarrollado un modelo mecanosensor basado en elementos finitos y se ha analizado el comportamiento celular en función de diferentes rigideces y condiciones de contorno a escala celular. A medida que el trabajo ha progresado, los resultados del modelo unidos a nuevos avances científicos publicados en este ámbito, han reforzado la idea de que el mecansimo mecanosensor juega un papel crítico en los procesos que dirigen la migración celular. Por ello, se ha necesitado un estudio más profundo de este fenómeno para lo que se ha utilizado un modelo mucho más detallado a escala intracelular. Así pues, se ha explorado la estructura interna del citoesqueleto y su comportamiento ante cambios mecánicos en la matriz extracelular, utilizando un modelo discreto de partículas basado en dinámica Browniana con el que se ha simulado la formación de una red de actina (polimerización) entrecruzada con proteínas y motores moleculares. En concreto, se ha estudiado el comportamiento activo de estos motores y su papel como sensores de estímulos mecánicos externos (mecanosensores) de manera que los resultados obtenidos con este modelo “micro” han permitido validar las hipótesis del modelo previo. Consecuentemente, se ha revisado el modelo mecánico y se le ha añadido dependencia temporal, obteniendo un modelo continuo capaz de predecir respuestas celulares macroscópicas basadas en el comportamiento de los componentes microestructurales. En otras palabras, esta simplificación ha permitido la introducción de la respuesta macroscópica emergente obtenida del comportamiento dinámico de la microestructura, disminuyendo enormemente el coste computacional y por tanto permitiendo simulaciones a mayores escalas espacio-temporales. A continuación se han introducido las nuevas hipótesis en un modelo probabilístico de migración a escala celular basado en elementos finitos que permite al mismo tiempo el estudio de factores tanto a escala macroscópica (velocidades, trayectorias) como a escala celular (orientación, área de adhesión, tensiones celulares, desplazamientos de la matriz etc.). Adicionalmente, este modelo es sensible no sólo a la mecánica sino a las condiciones fluido-químicas del entorno, las cuales han sido analizadas igualmente mediante simulaciones por elementos finitos. Con todo esto, los modelos desarrollados todavía no incluyen una descripción detallada de procesos importantes envueltos en la migración celular como la protrusión de la membrana, la polimerización de actina en el frente celular o la formación de adhesiones focales. Por lo tanto, para completar la Tesis, se ha desarrollado un modelo continuo basado en diferencias finitas que permite el estudio del comportamiento dinámico del lamelipodio y el papel fundamental que juegan la polimerización de actina, los motores moleculares y las adhesiones focales (FAs) en el frente celular durante la migración.

Cell migration is a complex process, orchestrated by biological and chemical factors, and by the microstructure and extracellular matrix (ECM) mechanical properties among others. It is essential for tissue development in multicellular organisms, and as human beings, it accompanies us throughout life, from conception to death. It plays a major role during embryonic development, defining organ formation (morphogenesis) and being crucial in all the regenerative processes such as skin renewal, inflammatory response or wound healing. However, it is also involved in several pathological processes e.g. metastasis, mental retardation, osteoporosis or vascular diseases. Therefore, understanding the fundamental mechanisms controling cell migration is vitally important to effectively treat different pathologies and to make progress in organ transplantation and tissue development. Thus, the main scope of this Thesis is the development of mathematical models at different scales and focused on different aspects of cell migration so that specific phenomena can be better understood, serving as a guide for the development of new experiments. All the models and analysis contained in this thesis are focused on single cells, firstly due to the complexity and marked differences with respect to collective cell migration, and secondly owing to the importance of individual migration in important processes such as metastatic tumor cell migration. In addition, since three- dimensional environments are physiologically more relevant, 3D approaches have been considered in most of the models here developed to better mimic in vivo conditions.
Firstly, single cell migration of a cell embedded in a three-dimensional matrix was studied, regulating its velocity and polarization through mechanical clues. For this purpose, a finite element (FE) based mechanosensing model was developed, analyzing cell behavior according to different ECM rigidities and boundary conditions at the cell scale. As work advanced, results from the model together with recent findings from literature strengthened the idea that mechanosensing plays a critical role in cell motility driving processes. For this reason, a deeper understanting of this mechanism was needed, resulting in the development of a specific and more detailed model (at the intracellular scale).
Hence, the cytoskeletal structure response to mechanical stimuli has been explored using a discrete particle-based Brownian dynamics model. This model was used to simulate the formation of actin networks (through actin polymerization) cross-linked with proteins (ACPs) and molecular motors. Specifically, the active role of molecular motors and their role as mechanosensors were studied, so that the results of the intracellular scale approach allowed the validation of the previous model main assumptions. As a consequence, the mechanical hypothesis were revised and a temporal dependence was incorporated, obtaining a new continuum model able to predict macroscopic cell responses based on microstructural components behavior. In other words, this simplification allowed introducing the emergent macroscopic response obtained from the active behavior of the microstructure, saving large amounts of computational time and permitting simulations at higher time and length scales.
Next, the new hypotheses were incorporated into a probabilistic, FE-voxel-based cell-scale migration model, permitting simultaneously the study of macro-scale factors (velocities, trajectories) and cell-scale ones (polarization, adhesion area, cell stress, ECM displacements etc.). Additionally this model includes the effect of fluid-chemical stimuli, which was also analyzed by means of FE-simulations.
With all this, the developed models still lacked a detailed description of important processes involved in cell migration such as membrane protrusion, actin polymerization or focal adhesion (FA) formation. As a result, a continuum model was designed to study the lamellipodium dynamics and the major role of actin polymerization and focal adhesions (FA) at the cell front during cell migration.

Pal. clave: biomecánica ; biomatemáticas ; biología celular ; biomechanics ; biomathematics ; cell biology

Área de conocimiento: Ingeniería mecánica

Departamento: Ingeniería Mecánica

Nota: Presentado: 23 09 2013
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Mecánica, 2013

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 Registro creado el 2014-11-20, última modificación el 2019-02-19


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