Endothelial-to-mesenchymal transition (EndMT) is a dynamic, biological process in which endothelial cells (ECs) suppress fundamental endothelial properties and adopt mesenchymal characteristics such as the loss of cell-cell contacts, an increase in migratory potential, and increased contractility. Although this trans-differentiation program is recognized as essential for development and vascular homeostasis there is rising evidence of its incidence in vascular pathological conditions, particularly atherosclerosis, venous disease, and varicose veins. Therapeutic targeting of EndMT appears promising but in-vitro EndMT studies face numerous hurdles including the lack of standardized experimental models and the dynamic nature of endothelial plasticity. This study aims to directly quantify the physical forces behind EndMT progression to identify a mechanophenotype. To address these challenges, we performed immunofluorescence imaging of endothelial and mesenchymal-specific markers, morphological analysis, and measured tractions and intercellular stresses of venous endothelial cells exposed to TGF-β1, a known EndMT inducer, at 24, 48, and 72 hours. Interestingly, our time-point analysis revealed a decrease in tractions and intercellular stresses and increase in cell area and eccentricity at 24 hours followed by a decrease in endothelial markers and increase in mesenchymal markers via immunofluorescence at 48 and 72 hours. Additionally, our results revealed EndMT to occur gradually, with most cells progressing to an intermediate phenotype, however, a subpopulation of cells progressed to a more complete mesenchymal phenotype and prompted us to investigate the mechanics at the single-cell level. Our single-cell results revealed TGF-β1 treated cells yielded a 1.65-fold increase in tractions compared to control cells. The mechanics-oriented focus of this study is unique and complimentary to standard biochemical and molecular strategies used to study EndMT, which can offer new perspectives for innovative therapeutic interventions for endothelial dysfunction and vascular disease.

Buňka tvoří složitý biologický systém vystavený mnoha mimobuněčným mechanickým podnětům. Hlubší pochopení jejího mechanického chování je důležité pro charakterizaci její odezvy v podmínkách zdraví i nemoci. Výpočtové modelování může rozšířit pochopení mechaniky buňky, která může přispívat k vytvoření vztahů mezi strukturou a funkcí různých typů buněk v různých stavech. Za tímto účelem byly pomocí metody konečných prvků (MKP) vytvořeny dva bendotensegritní modely buňky v různých stavech: model vznášející se buňky pro analýzu její globální mechanické odezvy, jako je protažení nebo stlačení, a model buňky přilnuté k podložce, který vysvětluje odezvu buňky na lokální mechanické zatížení, jako třeba vtlačování hrotu při mikroskopii atomárních sil (AFM). Oba zachovávají základní principy tensegritních struktur jako je jejich předpětí a vzájemné ovlivnění mezi komponentami, ale prvky se mohou nezávisle pohybovat. Zahrnutí nedávno navržené bendotensegritní koncepce umožňuje těmto modelům brát v úvahu jak tahové, tak i ohybové namáhání mikrotubulů (MTs) a také zahrnout vlnitost intermediálních filament (IFs). Modely předpokládají, že jednotlivé složky cytoskeletu mohou měnit svůj tvar a uspořádání, aniž by při jejich odstranění došlo ke kolapsu celé buněčné struktury, a tak umožňují hodnotit mechanický příspěvek jednotlivých složek cytoskeletu k mechanice buňky. Model vznášející se buňky napodobuje realisticky odezvu síla-deformace během protahování a stlačování buňky a obě odezvy ilustrují nelineární nárůst tuhosti s růstem mechanického zatížení. Výsledky simulací ukazují, že aktinová filamenta i mikrotubuly hrají klíčovou úlohu při určování tahové odezvy buňky, zatímco k její tlakové odezvě přispívají podstatně jen aktinová filamenta. Model buňky přilnuté k podložce dává odezvu síla-hloubka vtlačení ve dvou různých místech odpovídající nelineární odezvě zjištěné experimentálně při AFM. Výsledky simulací ukazují, že pro chování buňky je rozhodující místo vtlačení a její tuhost určují aktinová povrchová vrstva, mikrotubuly a cytoplazma. Navržené modely umožňují cenný vhled do vzájemných souvislostí mechanických vlastností buněk, do mechanické úlohy komponent cytoskeletu jak individuálně, tak i ve vzájemné synergii a do deformace jádra buňky za různých podmínek mechanického zatížení. Tudíž tato práce přispívá k lepšímu pochopení mechaniky cytoskeletu zodpovědné za chování buňky, což naopak může napomáhat ve zkoumání různých patologických podmínek jako je rakovina a cévní choroby.