[論文レビュー] Correlated random walks of human embryonic stem cell in-vitro

Laura E. Wadkin, Sirio Orozco-Fuentes+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、時間分解能を有する画像記録を用いて2次元培養下におけるヒト胚性幹細胞（hESCs）の相関ランダムウォークダイナミクスを分析し、孤立したhESCsが約50分間の timescale において、その細胞の伸長軸に沿って局所的に異方的で持続的な運動を示すことを明らかにした。70 μm未塔の近接状態では、細胞同士が方向性を同期化し、相関長さが約25 μmに達する。これは物理的偽ペシドポディア接続が協調的移動を駆動している可能性を示唆しており、クローンコロニー形成のエージェントベースモデリングに寄与する。

ABSTRACT

We perform a detailed analysis of the migratory motion of human embryonic stem cells in two-dimensions, both when isolated and in close proximity to another cell, recorded with time-lapse microscopic imaging. We show that isolated cells tend to perform an unusual locally anisotropic walk, moving backwards and forwards along a preferred local direction correlated over a timescale of around 50 minutes and aligned with the axis of the cell elongation. Increasing elongation of the cell shape is associated with increased instantaneous migration speed. We also show that two cells in close proximity tend to move in the same direction, with the average separation of 70 um or less and the correlation length of around 25 um, a typical cell diameter. These results can be used as a basis for the mathematical modelling of the formation of clonal hESC colonies.

研究の動機と目的

• 2次元培養下における単一およびペアのhESCsの移動動態を特徴づけること。
• 細胞形態および相互接近度が移動持続性および協調性に与える影響を特定すること。
• 隣接するhESCs間の方向性相関を定量化し、協調的移動に最適な間隔を同定すること。
• フィーダーフリー系におけるhESCクローン拡張のエージェントベースモデリングに実験的データを提供すること。
• 細胞間相互作用が初期コロニー形成および生存に果たす役割を検討すること。

提案手法

• 7時間以上にわたる2次元培養下で、時間分解能を有する顕微鏡法を用いて個々のおよびペアのhESCsを追跡した。
• 方向性持続性および細胞間協調性を定量化するために、相関関数を用いて細胞の軌道を分析した。
• ペア相関関数 C(r) は、各時刻における速度ベクトルを細胞間ベクトルに射影することで計算した。
• 平均的な協調強度を評価するために、正規化された相関測度 |C(r)| を用い、無相関統合ランダムウォーク（IRW）と比較した。
• 細胞形態および伸長度を測定し、形態と瞬時の移動速度との相関を評価した。
• 50組の細胞ペアを対象に、速度角（θ）、相関（C(r)）、絶対相関（|C(r)|）の統計解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 孤立したhESCsは2次元培養下でどのように相関ランダムウォークを示し、方向性持続のtimescaleは何か？
• RQ2 協調的移動に最適なhESCs間隔は何か？これは細胞間接近度とどのように関連するか？
• RQ3 隣接するhESCs間の方向性運動の相関長さは何か？また、その長さに影響を与える形態的特徴は何か？
• RQ4 細胞間の偽ペシドポディア接続は、集団的移動行動にどのように影響を与えるか？
• RQ5 孤立したhESCsにおいて、細胞の伸長度が移動速度の増加とどの程度相関しているか？

主な発見

• 孤立したhESCsは、細胞の伸長軸に沿って、約50分間の方向性持続を示す局所的に異方的な相関ランダムウォークを示す。
• 細胞の伸長度が高くなるほど、瞬時の移動速度と有意に相関する。
• 70 μm未塔の近接状態にあるhESCsは強い方向性協調性を示し、相関長さは約25 μmに達する。これは一般的な細胞径と一致する。
• 最大の協調性が得られる平均間隔は約70 μmであり、それ以上離れると物理的接続が存在しても運動は相関しなくなる。
• 70 μm未塔の間隔では、細胞同士がしばしば偽ペシドポディアを介して物理的接続されており、これが同期移動を促進している可能性がある。
• ペア細胞の絶対相関 |C(r)| は、無相関統合ランダムウォーク（2/π）と一致しており、ネット方向性バイアスは認められないが、顕著な局所的協調性が確認された。