[論文レビュー] A minimal model for structure, dynamics, and tension of monolayered cell colonies

Debarati Sarkar, Gerhard Gompper+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

Micro and Nano Robotics参考文献 59被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、単層膜細胞コロニーにおける液体-真空共存状態を捉えるために、長距離作用・広い最小値を持つ引力ポテンシャルを有する最小限のアクティブ・ブラウン運動粒子モデルを提案する。このモデルは、流動的挙動、凝集的縁部挙動、外向きに極性をもった細胞の整列に起因する引張応力、強い駆動力下での集団的クラスター分離を再現し、速度同期が渦状の運動と応力を強化することを示す。

ABSTRACT

The motion of cells in tissues is an ubiquitous phenomenon. In particular, in monolayered cell colonies in vitro, pronounced collective behavior with swirl-like motion has been observed deep within a cell colony, while at the same time, the colony remains cohesive, with not a single cell escaping at the edge. Thus, the colony displays liquid-like properties inside, in coexistence with a cell-free "vacuum" outside. How can adhesion be strong enough to keep cells together, while at the same time not jam the system in a glassy state? What kind of minimal model can describe such a behavior? Which other signatures of activity arise from the internal fluidity? We propose a novel active Brownian particle model with attraction, in which the interaction potential has a broad minimum to give particles enough wiggling space to be collectively in the fluid state. We demonstrate that for moderate propulsion, this model can generate the fluid-vacuum coexistence described above. In addition, the combination of the fluid nature of the colony with cohesion leads to preferred orientation of the cell polarity, pointing outward, at the edge, which in turn gives rise to a tensile stress in the colony -- as observed experimentally for epithelial sheets. For stronger propulsion, collective detachment of cell clusters is predicted. Further addition of an alignment preference of cell polarity and velocity direction results in enhanced coordinated, swirl-like motion, increased tensile stress and cell-cluster detachment.

研究の動機と目的

• 細胞コロニーが強い集団的運動にもかかわらず、縁部で剥離を避けながら内部では流動的挙動を維持するメカニズムを理解すること。
• 広い最小値を有する修正された相互作用ポテンシャルを導入することで、強い接着が剥離を防ぐ一方で流動性を許容するというパラドックスを解消すること。
• 上皮シートで実験的に観察された引張応力が、コロニー縁部における集団的細胞極性整列に起因することを説明すること。
• 速度同期と駆動力の増加が存在する中で、集団的細胞剥離が発生する条件を調査すること。
• 最小限の物理的モデルが、渦状の運動や集団的細胞移動における機械的応力といった複雑な生物学的現象を再現できることを示すこと。

提案手法

• 時間発展にラングジューブ・ダイナミクスを用いた、自己駆動、回転拡散を有するアクティブ・ブラウン運動粒子（ABP）モデルを採用する。
• 流動性を保ちつつ強い接着性を実現するため、吸引域を拡張した（幅 ¯σ）修正Lennard-Jonesポテンシャルを導入する。
• 短距離反発と長距離吸引の間に力が働かない領域を組み込むことで、凝集性と移動性の両立を可能にする。
• 活性力と熱的力の比を表すペクレット数（Pe）を用い、集団的運動の度合いを制御する。
• 隣接細胞間の速度同期相互作用を追加することで、協調的で渦状の運動と強化された引張応力を促進する。
• トランスレーションおよび回転運動にガウス白色ノイズを用いた確率的シミュレーションを実施し、Drσ²/D = 3として回転拡散を翻訳拡散よりも強くする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細胞コロニーは、内部では流動的である一方で縁部で凝集的であり、細胞剥離を避けるにはどのようにして実現されるのか？
• RQ2 単層膜細胞コロニーにおける実験的に観察された液体-真空共存状態を再現できる最小限の物理的モデルは何か？
• RQ3 流動性と凝集性の組み合わせが、上皮シートで観察されたようにコロニーに引張応力を生じさせる仕組みは何か？
• RQ4 細胞の極性整列と速度との関係が、集団的運動を強化し、クラスター剥離を促進する役割を果たすのはどのような場合か？
• RQ5 本モデルにおいて、細胞クラスターの集団的剥離が発生する条件は何か？

主な発見

• 幅広い吸引井戸（¯σの増加）を有する修正ABPモデルは、液体-真空共存を可能とし、共存領域が¯σの増加に伴い拡大することが分かった。
• 中程度の駆動力（Pe ≈ 15）では、渦状の運動と凝集的縁部を示す流動的挙動を示し、MDCKコロニーの実験的観察と一致した。
• コロニー縁部における外向きに極性をもった細胞整列が、上皮シートの実験的測定と整合する引張応力を生成した。
• 強い駆動力（Pe > 20）では、集団的クラスター剥離が発生し、剥離閾値は吸引強度と整列度に依存した。
• 速度同期相互作用は、協調的で渦状の運動を顕著に強化し、引張応力を増大させた。速度相関関数 Cvv(r) の負の最小値は、長距離秩序の存在を示唆している。
• 本モデルは、引張応力と集団的運動が、複雑な生化学的シグナルを必要とせず、流動性、凝集性、極性整列の相互作用から生じることを予測している。