細胞の増殖と移動は、異なる細孔サイズの3Dプリントされた足場における細孔ブリッジングダイナミクスを説明する

Cell proliferation and migration explain pore bridging dynamics in 3D printed scaffolds of different pore size.

• Pascal R Buenzli
• Matthew Lanaro
• Cynthia S Wong
• Maximilian P McLaughlin
• Mark C Allenby
• Maria A Woodruff
• Matthew J Simpson

抄録

バイオ足場における組織の成長は、細孔の形状に大きく影響されるが、細胞増殖や細胞移動などの動的な細胞プロセスからこの幾何学的な依存性がどのようにして現れるのかについては、まだ十分に理解されていない。ここでは、薄い3Dプリントされた足場の細孔の橋渡しに必要な時間に対する細孔サイズの影響を調査した。実験的には、強い曲率制御の下で、新しい組織がその周囲から連続的に細孔に入り込み、時間の経過とともに組織の前面が丸くなっていく。この進化の過程で組織が想定する形状は様々であるにもかかわらず、気孔の橋渡しに要する時間は、気孔全体の大きさに比例して直線的に増加することがわかった。この実験的観察における細胞の挙動の生物学的影響と形状の力学的影響を分離するために、我々は、気孔への細胞のポーラスフィッシャー浸潤に基づく組織成長の単純な反応拡散モデルを提案する。第一に、このモデルは組織の進化を定性的に表現している。第二に、このモデルは、孔の大きさに伴うブリッジング時間の直線的な依存性が、異なる大きさの孔の間の細胞の行動の違いではなく、幾何学的な理由だけで生じることを示唆している。我々の分析は、これらの実験的構築物における組織成長ダイナミクスは、集団的な細胞増殖と移動プロセスに影響を与える機械論的なクラウディング効果によって支配されており、堅牢で一貫性のある行動をとる細胞の単純な反応拡散モデルによって予測できることを示唆している。

Tissue growth in bioscaffolds is influenced significantly by pore geometry, but how this geometric dependence emerges from dynamic cellular processes such as cell proliferation and cell migration remains poorly understood. Here we investigate the influence of pore size on the time required to bridge pores in thin 3D-printed scaffolds. Experimentally, new tissue infills the pores continually from their perimeter under strong curvature control, which leads the tissue front to round off with time. Despite the varied shapes assumed by the tissue during this evolution, we find that time to bridge a pore simply increases linearly with the overall pore size. To disentangle the biological influence of cell behaviour and the mechanistic influence of geometry in this experimental observation, we propose a simple reaction-diffusion model of tissue growth based on Porous-Fisher invasion of cells into the pores. First, this model provides a good qualitative representation of the evolution of the tissue; new tissue in the model grows at an effective rate that depends on the local curvature of the tissue substrate. Second, the model suggests that a linear dependence of bridging time with pore size arises due to geometric reasons alone, not to differences in cell behaviours across pores of different sizes. Our analysis suggests that tissue growth dynamics in these experimental constructs is dominated by mechanistic crowding effects that influence collective cell proliferation and migration processes, and that can be predicted by simple reaction-diffusion models of cells that have robust, consistent behaviours.

Copyright © 2020. Published by Elsevier Ltd.