Tuning collagen nonlinear mechanics with interpenetrating networks drives adaptive cellular phenotypes in three dimensions

非线性系统 弹性(物理) 细胞外基质 非线性弹性 生物物理学 基质(化学分析) 细胞内 变硬 化学 材料科学 生物 物理 复合材料 生物化学 量子力学
作者
Marco A. Enríquez Martínez,Zhao Wang,Yanina D. Álvarez,Jade E. O’Neill,Robert J. Ju,Petri Turunen,Melanie D. White,Jitendra Mata,Elliot P. Gilbert,Ján Lauko,Alan E. Rowan,Samantha J. Stehbens
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (25): eadt3352-eadt3352 被引量:3
标识
DOI:10.1126/sciadv.adt3352
摘要

In living tissues, collagen networks rarely exist alone because they are embedded within other biological matrices. When combined, collagen networks rigidify via synergistic mechanical interactions and stiffen only with higher mechanical loads. However, how cells respond to the nonlinear elasticity of collagen in hybrid networks remains largely unknown. Here, we demonstrate that when collagen rigidifies by the interpenetration of a second polymer, the amount of force that initially stiffens the network (onset of stiffening, σc) increases and is sufficient to stimulate an increase in intracellular tension. We investigated this effect by precisely controlling the nonlinear elasticity of collagen with the synthetic semiflexible polymer, polyisocyanopeptides. We find that small increases in σc induce a biphasic response in cell-matrix interactions, influencing how cells migrate, proliferate, and generate contractile force. Our results suggest that cells adaptively respond to changes in the nonlinear mechanics of collagen, which may be a mechanistic behavior used during tissue homeostasis or when collagen rigidifies during pathological conditions.
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