[論文レビュー] Active Tension Network model of epithelial mechanics

Nicholas Noll, Madhav Mani+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Cellular Mechanics and Interactions被引用数 4

ひとこと要約

アクティブトーンネットワーク（ATN）モデルは、多角形細胞幾何学におけるコートラクトテンション優位性とテンション依存性コートラクトリモデリングを根拠とした上皮組織の力学フレームワークを提案する。このモデルは、等角的（角度を保つ）な細胞変形が組織力学を支配することを予測し、ショウジョウバエの腹側furrow形成期における観察された細胞形状変化の約90％を説明する。また、組織の幾何学的形状から局所的コートラクトテンションを推定可能である。

ABSTRACT

It is now widely recognized that mechanical interactions between cells play a crucial role in epithelial morphogenesis, yet understanding the mechanisms through which stress and deformation affect cell behavior remains an open problem due to the complexity inherent in the mechanical behavior of cells and the difficulty of direct measurement of forces within tissues. Theoretical can help by focusing experimental studies and by providing the framework for interpreting measurements. To that end, vertex models have introduced an approximation of epithelial cell mechanics based on a polygonal tiling representation of planar tissue. Here we formulate and analyze an Active Tension Network (ATN) model, which is based on the same polygonal representation of epithelial tissue geometry, but in addition i) assumes that mechanical balance is dominated by cortical tension and ii) introduces tension dependent local remodeling of the cortex, representing the active nature of cytoskeletal mechanics. The tension-dominance assumption has immediate implications for the geometry of cells, which we demonstrate to hold in certain types of Drosophila epithelial tissues. We demonstrate that stationary configurations of an ATN form a manifold with one degree of freedom per cell, corresponding to - i.e. angle preserving - deformations of cells, which dominate the dynamic response to perturbations. We show that isogonal modes account for approximately 90% of experimentally observed deformation of cells during the process of ventral furrow formation in Drosophila. Other interesting properties of our model include the exponential screening of mechanical stress and a negative Poisson ratio response to external uniaxial stress. We also provide a new approach to the problem of inferring local cortical tensions from the observed geometry of epithelial cells in a tissue

研究の動機と目的

• 細胞の能動的で細骨格駆動の性質を捉える上皮組織力学の機械的モデルの構築を目的とする。
• 生きた上皮組織における観察可能な組織幾何学から機械的力の推定という課題に取り組む。
• 特に形態形成イベント中に生じる機械的ストレス下での上皮組織内の支配的変形モードを同定する。
• ショウジョウバエ上皮形態形成における実験的観察（例：腹側furrow形成）を説明する理論的フレームワークを提供する。
• 上皮組織における機械的バランスがコートラクトテンションによって支配されることを示し、複雑な機械的相互作用の簡略化を可能にする。

提案手法

• 平面状の上皮組織の多角形タイリング表現を用いて細胞幾何学をモデル化する。
• 機械的平衡がコートラクトテンションによって支配されると仮定し、力のバランスをテンションに基づく制約に簡略化する。
• 細胞骨格のテンション依存性局所的リモデリングを組み込み、能動的細胞力学をモデル化する。
• 静的ATN配置の幾何的制約を導出し、各細胞あたり1自由度を持つ多様体を形成することを示す。
• 一軸応力下での変形応答をシミュレートし、指数関数的応力スクリーニングおよび負のポisson比挙動を明らかにする。
• モデルの幾何的およびテンション制約を用いて、観察された細胞幾何学から局所的コートラクトテンションを推定する手法を開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的ストレス下における上皮組織の支配的変形モードは何か。それらは細胞幾何学とどのように関係するか。
• RQ2 観察された上皮細胞の幾何学から、どのように局所的コートラクトテンションを推定できるか。
• RQ3 等角的（角度を保つ）変形が、機械的摂動に対する上皮組織の動的応答をどれほど支配するか。
• RQ4 テンション優位で能動的にリモデリングが進行する上皮ネットワークから、どのような機械的性質が生じるか。
• RQ5 ATNモデルは、ショウジョウバエの腹側furrow形成における実験的観察をどのように説明できるか。

主な発見

• ATNモデルの静的配置は、各細胞あたり1自由度を持つ多様体を形成し、これは等角的（角度を保つ）変形に対応する。
• 等角的モードは、ショウジョウバエの腹側furrow形成期における実験的観察された細胞形状変化の約90％を占める。
• モデルは機械的応力の指数関数的スクリーニングを示し、組織内での力の距離依存減衰が著しく速いことを示唆する。
• 一軸外部応力下では、ATNモデルは負のポisson比を示し、軸方向の圧縮に対して横方向に膨張することを示す。
• モデルにより、細胞幾何学のみから局所的コートラクトテンションを推定可能であり、上皮組織における力再構築の新たな手法を提供する。
• テンション優位性仮定は、幾何学的一致性の検証を通じて、特定のショウジョウバエ上皮組織における機械的挙動を正確に記述している。