[論文レビュー] Adhesion and volume constraints via nonlocal interactions lead to cell sorting

José A. Carrillo, Annachiara Colombi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 29被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、細胞接着と体積制約によって駆動される細胞の分離を模擬するため、H安定な相互作用ポテンシャルを用いた非局所的粒子モデルを提案する。接着および反発的相互作用パラメータを調整することで、混合、分離、内包化といった主要な生物学的挙動を再現し、H安定性が細胞凝集体における有限な細胞間隔および安定した結晶様構造を保証することを示している。

ABSTRACT

We demonstrate how concepts of statistical mechanics of interacting particles can have important implications in the choice of interaction potentials to model qualitative properties of cell aggregates in theoretical biology. We illustrate this by showing cell sorting phenomena for cell groups with different adhesiveness parameters: ranging from well-mixed cells aggregates to full segregation of cell type passing through engulfment via adhesiveness tuning.

研究の動機と目的

• 非局所的相互作用を用いて、異種細胞集団における細胞の分離現象を捉える数学的枠組みを構築すること。
• H安定性を保証する相互作用ポテンシャルのパラメータを同定し、細胞凝集体の物理的に不自然な収縮や膨張を防ぐこと。
• 統計力学の概念（H安定性）と理論生物学における現実的な細胞凝集体の形態の出現との間にリンクを確立すること。
• 観察された実験的細胞パターンを再現する相互作用ポテンシャルを同定する逆問題を解く基盤を提供すること。
• 適切にパラメータ化された差別的接着性のみで、外部のシグナルなしに複雑な細胞の分離挙動を駆動できることを示すこと。

提案手法

• 粒子の質量と位置ベクトルを集中させた2次元平面内の離散的粒子として細胞をモデル化し、過減衰運動によって時間発展を記述する。
• 非局所的2粒子間力の重ね合わせとして細胞速度を定義し、反発的および引力的成分を有する多パラメータ相互作用カーネルを用いる。
• 引力的ポテンシャルに放物型関数を、反発的項に傾きが可変な項を用いて、接着性と圧縮抵抗性をモデル化する。
• 統計力学におけるH安定性条件を適用し、大規模系においても細胞間隔が有界かつ有限に保たれることを保証する。
• パラメータ空間を探索し、接着性および細胞数の変動下での長時間的空間的構造を特徴付けるための数値シミュレーションを実施する。
• 粗視化の考察を基に、離散的から連続的マクロスケールモデルへの移行を支援し、このような極限においてはH安定でないポテンシャルを好む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に観察された細胞の分離挙動（混合、分離、内包化など）を再現できる非局所的相互作用ポテンシャルは、どのように設計できるか？
• RQ2 相互作用ポテンシャルのH安定性が、有限な細胞間隔および安定した凝集体構造の維持に果たす役割は何か？
• RQ3 接着性および反発性のどのパラメータ領域が、細胞凝集体における顕著な形態的結果をもたらすか？
• RQ4 与えられた実験的細胞パターンを再現する相互作用ポテンシャルを同定する逆問題は、体系的に取り扱えるか？
• RQ5 相互作用カーネルの性質は、離散的粒子力学から連続的マクロスケールモデルへの移行にどのように影響するか？

主な発見

• H安定な相互作用ポテンシャルは、細胞凝集体が物理的に現実的である有限な細胞間隔を維持し、収縮や無限に拡張するのを防ぐことを保証する。
• 相同性接着が異相同性接着を上回る場合、モデルは細胞型の完全な分離を生じさせ、実験的観察と整合的である。
• 中程度の接着強度下では、部分的内包化が観察され、1つの細胞型が他方を囲む構造を形成する。これは発生的分離の特徴的兆候である。
• 異相同性接着が相同性接着よりも強い場合、系は均一に混合された凝集体を形成し、差別的接着仮説の予測と一致する。
• モデルにより、事前にパラメータ空間を制限でき、生物学的応用において広範な数値キャリブレーションの必要性が軽減される。
• この枠組みにより、最適化を用いて特定の実験的コロニー形態を再現する相互作用ポテンシャルを同定する逆問題の解決への道筋が提供される。