[論文レビュー] Arrested coalescence of multicellular aggregates

David Oriola, Miquel Marín-Riera+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Cellular Mechanics and Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、粘弾性特性が完全な融合を防ぐための停止凝集が幹細胞凝集体で発生することを示し、有効粘度、せん断弾性率、表面張力の定量的評価を目的としたケルビン＝ヴォイクトモデルを構築した。エージェントベースのシミュレーションにより、細胞の突起活動がアンジャミング転移付近での固体的から液体的への転移を制御することが明らかになった。これにより、機械的挙動と集団的細胞ダイナミクスの関連が解明された。

ABSTRACT

Multicellular aggregates are known to exhibit liquid-like properties. The fusion process of two cell aggregates is commonly studied as the coalescence of two viscous drops. However, tissues are complex materials and can exhibit viscoelastic behaviour. It is known that elastic effects can prevent the complete fusion of two drops, a phenomenon known as arrested coalescence. Here we report the presence of this phenomenon in stem cell aggregates and provide a theoretical framework which agrees with the experiments. In addition, agent-based simulations show that cell protrusion activity controls a solid-to-fluid phase transition, revealing that arrested coalescence can be found in the vicinity of an unjamming transition. By analysing the dynamics of the fusion process and combining it with nanoindentation measurements, we obtain the effective viscosity, shear modulus and surface tension of the aggregates. More generally, our work provides a simple, fast and inexpensive method to characterize the mechanical properties of viscoelastic materials.

研究の動機と目的

• 停止凝集——合成粘弾性材料で観察される現象——が多細胞幹細胞凝集体に対しても見られるかどうかを調査すること。
• ケルビン＝ヴォイクトモデルに基づく理論的枠組みを構築し、これらの凝集体の融合ダイナミクスを記述すること。
• 融合ダイナミクスとナノインデンテーションを用いて、有効機械的特性（粘度、せん断弾性率、表面張力）を定量すること。
• エージェントベースのシミュレーションを用いて、細胞の突起活動が機械的転移をどのように制御するかを調査すること。
• 生物学的組織の粘弾性特性を特徴付ける簡単で非接触の手法を確立すること。

提案手法

• 10時間にわたり10分間隔で、PerkinElmer Opera Phenixシステムを用いたハイコアリティイメージングにより、3次元多細胞凝集体の融合ダイナミクスを撮影した。
• マスクのセグメンテーションに続く楕円フィッティングを用いて、エンド・ツー・エンド距離と融合角度を抽出した。この処理にはMOrgAna機械学習ソフトウェアが使用された。
• 非線形最小二乗法を用いて、数値的にscipyのodeintとcurve_fitを用いて解いた修正ケルビン＝ヴォイクト方程式の解を実験データにフィットさせた。
• 有効弾性率の測定のために、半径29.5 µmの球形プローブを用いたナノインデンテーションを実施し、ν = 0.5と仮定してせん断弾性率を導出した。
• CUDA C++を用いたエージェントベースのシミュレーションでは、変更された重なり合う球体近接探索法とヒューン法による時間積分スキームを用いて細胞の突起活動をモデル化した。
• シミュレーションを用いて、細胞活動とアンジャミング転移付近での停止凝集の出現との関係を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 停止凝集は、合成粘弾性材料で観察されるのと同様に、多細胞幹細胞凝集体に対しても発生するか？
• RQ2 ケルビン＝ヴォイクトモデルは、これらの生物学的凝集体の粘弾性融合ダイナミクスを正確に記述できるか？
• RQ3 細胞の突起活動は、凝集体内の流動的・固体的挙動の間の転移にどのように影響するか？
• RQ4 凝集体の有効機械的パラメータ（粘度、せん断弾性率、表面張力）は何か？ また、それらは融合キネティクスとどのように関係するか？
• RQ5 融合プロセスは、キャリブレーション済みプローブを用いずに、粘弾性組織の機械的性質を推定する非接触で低コストな手法として利用可能か？

主な発見

• マウス胚性幹細胞凝集体において、実験的に停止凝集が観察され、部分的融合後も安定した非球形形状が維持された。
• ケルビン＝ヴォイクトモデルを融合ダイナミクスにフィットさせることで、粘弾性キャピラリー速度 $v_c = \gamma / \eta$ とせん断弾性キャピラリー長 $\ell_e = \gamma / \mu$ が成功裏に抽出された。
• ナノインデンテーション測定から、有効弾性率の平均値は $E_{\text{eff}} \approx 1.2$ kPa であり、$\nu = 0.5$ と仮定してせん断弾性率 $\mu \approx 0.8$ kPa が算出された。
• 融合プロセスは、キャピラリー力と粘弾性力のバランスによって支配されており、凝集度は材料の弾性応答に依存していた。
• エージェントベースのシミュレーションにより、細胞の突起活動が流動的から固体的挙動への転移を制御しており、停止凝集はアンジャミング転移付近に発生することが明らかになった。
• 融合に基づく手法は、キャリブレーション済みプローブを必要とせず、迅速かつ非接触で安価に組織の機械的性質を測定する代替手法を提供する。