Nuclear deformation and dynamics of migrating cells in 3D confinement reveal adaptation of pulling and pushing forces

제목	Nuclear deformation and dynamics of migrating cells in 3D confinement reveal adaptation of pulling and pushing forces
추천 연구 논문	Petersen, Nikolaj H T et al. “Transformation-associated changes in sphingolipid metabolism sensitize cells to lysosomal cell death induced by inhibitors of acid sphingomyelinase.” Cancer cell vol. 24,3 (2013): 379-93. doi:10.1016/j.ccr.2013.08.003
선정 이유	세포는 좁은 공간을 통해 이동할 때 핵이 변형되어야 하며, 이러한 변형 과정은 세포 이동 및 암 전이 과정에서 중요하다. 핵의 물리적 변형이 세포의 침윤 및 이동 능력과 밀접히 관련되어 있음이 알려져 있지만, 구체적으로 세포가 핵을 밀어내고 당기는 힘을 어떻게 조정하여 공간 제약을 극복하는지는 명확히 밝혀지지 않았다. 이 연구는 하이드로젤 기반의 3차원 구조를 이용해 세포가 스스로 좁은 공간을 통과할 때 핵의 역학적 변형과 이동에 작용하는 힘을 정량적으로 분석하고, 핵의 형태 변화와 세포의 이동 속도 및 효율이 공간의 좁아짐에 따라 어떻게 달라지는지 실험적으로 규명하였다. 이를 통해 세포가 좁은 공간 내에서 당기는 힘(pulling force)과 밀어내는 힘(pushing force)을 상황에 따라 적응적으로 조정한다는 점을 명확히 제시하였다.
주요 내용	연구에서는 3D 하이드로젤 미세 채널에서 유방암 세포(MDA-MB-231)의 이동 시 핵이 받는 변형을 분석하고, 채널의 폭 변화에 따라 세포 이동 속도와 효율을 측정하였다. 채널의 폭이 핵 지름과 비슷한 경우 세포 이동이 가장 활발하며, 매우 좁거나 넓을 경우 이동 효율이 떨어지는 이중상(biphasic) 양상을 보였다. 공초점 현미경과 형광 비드 변위 측정을 이용해 좁은 채널 내 핵의 3D 변형을 분석한 결과, 좁은 채널에서 핵은 가역적으로 부피가 감소하며(최대 11%), 이는 핵이 일정 부분 압축 가능한 탄성체임을 나타낸다. 핵이 채널을 통과할 때 세포는 핵을 앞에서 당기고 뒤에서 미는 힘을 상황에 따라 달리 조합하여 사용한다. 상대적으로 넓은 채널에서는 당기는 힘이 우세하지만, 채널 폭이 극도로 좁아질수록 세포는 뒤쪽에서 밀어내는 힘의 비중을 증가시킨다. 이는 칼슘 신호(Ca²⁺) 증가와 관련하여 세포 후방의 액토마이오신 수축성이 증가함을 나타낸다.이러한 힘의 균형 변화를 확인하기 위해 포칼 부착(focal adhesion)을 억제하거나, 세포골격과 핵을 연결하는 LINC complex를 차단했을 때, 당기는 힘의 감소와 함께 좁은 공간에서의 핵 이동 효율이 현저히 떨어지는 것을 확인하였다. 구진은 이 결과를 설명하기 위해 물리적 모델을 구축하였으며, 이 모델은 세포가 공간 제약이 커질수록 밀어내는 힘을 더 적극적으로 활용하는 적응적 힘 생성 메커니즘을 잘 설명하였다.
시사점	세포가 스스로 좁은 공간에 진입할 때 핵을 변형시키는 데 당기는 힘과 미는 힘의 비율을 능동적으로 조정한다는 사실을 실험적으로 규명했다는 점에서 세포 이동 메커니즘에 대한 이해를 확장시켰다. 본 연구는 세포의 침윤 및 전이 과정에서의 핵의 역학적 특성과 그 적응적 변화 메커니즘을 명확히 규명하여, 암세포 침투 메커니즘을 이해하는 데 중요한 정보를 제공하며, 세포 이동 연구 및 암 치료 연구에 적용 가능한 새로운 접근법을 제시한다.