Two-component macrophage model for active phagocytosis with pseudopod formation

吞噬作用 伪足 细胞骨架 细胞生物学 巨噬细胞 生物物理学 肌动蛋白 生物 化学 细胞 生物化学 体外
作者
Shuo Wang,Shuhao Ma,He Li,Ming Dao,Xuejin Li,George Em Karniadakis
出处
期刊:Biophysical Journal [Elsevier BV]
卷期号:123 (9): 1069-1084 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.bpj.2024.03.026
摘要

Macrophage phagocytosis is critical for the immune response, homeostasis regulation, and tissue repair. This intricate process involves complex changes in cell morphology, cytoskeletal reorganization, and various receptor-ligand interactions controlled by mechanical constraints. However, there is a lack of comprehensive theoretical and computational models that investigate the mechanical process of phagocytosis in the context of cytoskeletal rearrangement. To address this issue, we propose a novel coarse-grained mesoscopic model that integrates a fluid-like cell membrane and a cytoskeletal network to study the dynamic phagocytosis process. The growth of actin filaments results in the formation of long and thin pseudopods, and the initial cytoskeleton can be disassembled upon target entry and reconstructed after phagocytosis. Through dynamic changes in the cytoskeleton, our macrophage model achieves active phagocytosis by forming a phagocytic cup utilizing pseudopods in two distinct ways. We have developed a new algorithm for modifying membrane area to prevent membrane rupture and ensure sufficient surface area during phagocytosis. In addition, the bending modulus, shear stiffness, and cortical tension of the macrophage model are investigated through computation of the axial force for the tubular structure and micropipette aspiration. With this model, we simulate active phagocytosis at the cytoskeletal level and investigate the mechanical process during the dynamic interplay between macrophage and target particles.
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