[論文レビュー] Directionality of glioblastoma invasion in a 3d in vitro experiment

Andrew M. Stein, David Vader+4 more|ArXiv.org|Oct 17, 2006

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、蛍光標識されたU87mEGFR球状体を用いた3次元コラーゲンゲルモデルにおいて、膠芽腫の浸潤を調査した。侵襲的細胞の運動を、3次元オーナイユ・ウーレンバック過程を用いて、径方向に偏った一様なランダムウォークとしてモデル化した。主な発見として、初日には20 μm/hの強い初期径方向速度バイアスが観察されたが、2日目には著しく減少し、化学走性およびコラーゲン線維に沿った接触誘導による一時的な指向性移動が関与している可能性が示唆された。

ABSTRACT

Glioblastoma is the most malignant form of brain cancer. It is extremely invasive; the mechanisms that govern invasion are not well understood. To better understand the process of invasion, we conducted an in vitro experiment in which a 3d tumour spheroid is implanted into a collagen gel. The paths of individual invasive cells were tracked. These cells were modeled as radially biased, persistent random walkers. The radial velocity bias was found to be 20 microns/hr on day one, but decayed significantly by day two. The cause of this bias is thought to be due to chemotactic factors and contact guidance along collagen fibers.

研究の動機と目的

• 制御された3次元細胞外マトリックス環境下における膠芽腫の高浸潤性行動を駆動するメカニズムを理解すること。
• 3次元コラーゲンゲル内に形成された多細胞球状体から出現する個々の侵襲的細胞の方向性移動を定量すること。
• 方向性の持続性と拡散を評価するため、径方向に偏った一様なランダムウォークフレームワークを用いて細胞移動ダイナミクスをモデル化すること。
• 方向性バイアスの時間的変化と、化学走性勾配やコラーゲンマトリックスの構造的再編成といった潜在的要因の関係を調査すること。
• 接触誘導と化学走性が、実験データと確率的モデルの定量的比較を通じて、侵襲的細胞の経路をどのようにガイドしているかを評価すること。

提案手法

• 蛍光標識されたU87mEGFR膠芽腫細胞を培養し、ホルダリングドロップ法を用いて球状体を形成することで、腫瘍質量を模倣した。
• 1.5 mg/mLの牛由来I型コラーゲンゲルに球状体を埋め込み、3次元細胞外マトリックスを模倣した。重合は37°Cで誘導した。
• 時間分解能を1分間隔として12～15時間にわたり2日間、タイムラプス共焦点顕微鏡で細胞移動を撮影し、IDLを用いてGFP標識核の粒子追跡を行った。
• 細胞の軌跡は、パラメータβ（持続性）、V₀（バイアス）、α（ノイズ振幅）を有する3次元オーナイユ・ウーレンバック過程を用いて分析した。
• 無偏りの拡散係数は、径方向速度バイアスを差し引いた後、時間間隔τ ∈ [0.3, 2] 時間の平均二乗変位にフィッティングすることで推定した。
• モデルの妥当性を確認するため、径方向バイアスをゼロ（V₀ = 0）としたシミュレーションを実施し、観察された径方向バイアスが球状体コアからの受動的拡散によるものでないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元球状体からコラーゲンマトリックス内に浸潤する膠芽腫細胞における方向性バイアスの時間的変化はいかなるものか？
• RQ2 初期径方向速度バイアス（20 μm/h）は、化学走性とコラーゲン線維に沿った接触誘導のどちらに起因しているか、その寄与度はどの程度か？
• RQ3 径方向バイアスを有する3次元オーナイユ・ウーレンバック過程は、観察された侵襲的細胞の軌跡をどの程度よく再現できるか？
• RQ4 なぜ径方向速度バイアスが1日目から2日目にかけて著しく減少するのか。生物学的または構造的要因として何がその変化を引き起こしていると考えられるか？
• RQ5 定量的モデリングを用いることで、観察された細胞移動パターンが受動的拡散またはランダム運動と区別できるか？

主な発見

• 1日目には、侵襲的膠芽腫細胞が球状体から離れる方向に20 μm/hの顕著な径方向速度バイアスを示し、指向性移動を示した。
• この径方向バイアスは2日目には著しく減少し、方向性侵襲の時間的依存性または一時的なメカニズムである可能性が示唆された。
• 1日目の実験データに良好に適合する3次元オーナイユ・ウーレンバックモデルが得られ、パラメータとしてβr = 6 /hr、V₀ = 20 μm/hr、αr = 9120 μm²/hr³が得られた。
• 無偏りの径方向および角度拡散係数は、1日目にそれぞれDr = 760 μm²/hrおよびDθ = 470 μm²/hrと推定され、ノイズを伴う持続的運動を反映していた。
• 径方向バイアスをゼロ（V₀ = 0）としたシミュレーションでは、観察された径方向速度トレンドを再現できず、バイアスが球状体コアからの受動的分散によるものでないことが確認された。
• 共焦点反射イメージングにより、2つの球状体間でコラーゲン線維の再編成が観察され、細胞が整列した線維に沿って優先的に移動していることが確認された。これは、接触誘導が関与要因の1つであることを支持する。