[論文レビュー] Does nematic order allow groups of elongated cells to sense electric fields better?

Kurmanbek Kaiyrbekov, Brian A. Camley|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2024

Liquid Crystal Research Advancements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、棒状の細胞が隣接細胞の長軸と一致するネマチック秩序が、集団的な電場センシングを向上させるかを調査している。自己駆動する細胞の最小2次元モデルを用い、方向に依存する感度精度を有する細胞を想定すると、電場に対して垂直に整列している場合に感度が高くなると、ネマチック秩序が集団の方向性を顕著に向上させる。主な発見は、感度精度が細胞の向きに強く依存する場合にのみ、ネマチック秩序が方向性応答を増幅することである。

ABSTRACT

Collective response to external directional cues like electric fields plays a pivotal role in processes such as tissue development, regeneration, and wound healing. In this study we focus on the impact of anisotropy in cell shape and local cell alignment on the collective response to electric fields. We model elongated cells that have a different accuracy sensing the field depending on their orientation with respect to the field. Elongated cells often line up with their long axes in the same direction - "nematic order" - does this help the group of cells sense the field more accurately? We use simulations of a simple model to show that if cells orient themselves perpendicular to their average velocity, alignment of a cell's long axis to its nearest neighbors' orientation can enhance the directional response to electric fields. However, for cells to benefit from aligning, their accuracy of sensing must be strongly dependent on cell orientation. We also show that cell-cell adhesion modulates the accuracy of cells in the group.

研究の動機と目的

• 棒状の細胞におけるネマチック秩序が、電場の集団的センシングを改善するかどうかを調査すること。
• 細胞の整列が電場への応答において方向性の正確さを向上させる条件を特定すること。
• 細胞同士の接着と速度に垂直な整列が、集団的ガルバノタキシスをどのように調節するかを検討すること。
• 細胞同士の接着が集団的電場応答に必要かどうかという、矛盾する実験結果を解明すること。

提案手法

• 2次元の自己駆動粒子モデルを用い、明確な長軸方向φと極性方向ζを持つ棒状の細胞を模擬する。
• 細胞は方向に依存する精度κ(φ)で電場の方向を推定し、電場に対して垂直な整列（φ = 90°）のときに精度が最大になる。
• 細胞同士の相互作用は、固定された平衡長を有する等方的ばねでモデル化され、距離のしきい値に基づいて動的に近隣リストが更新される。
• 細胞は隣接細胞の長軸と一致する（ネマチック相互作用）とともに、平均速度に対して垂直に整列する（速度に垂直な整列）。
• 数値積分にはEuler-Maruyama法を用い、回転ノイズを伴う方向の更新が行われ、極性はτforget = 10分ごとに更新される。
• シミュレーションでは1回の実行あたり64個の細胞を用い、パラメータセットごとに40回の独立したシミュレーションを実施。初期位置と初期方向はランダムに設定し、パラメータは実験観察と一致するようにキャリブレーションされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 棒状の細胞にネマチック秩序が生じると、適用された電場の方向をより効果的に集団的にセンシングできるようになるか？
• RQ2 感度精度が方向に依存する場合、どのような条件下でガルバノタキシスにおける集団の方向性が向上するか？
• RQ3 細胞同士の接着と速度に垂直な整列は、集団的電場センシングの正確さにどのように影響するか？
• RQ4 なぜ実験的報告では、細胞同士の接着が集団的ガルバノタキシスにおいて必要かどうかについて、矛盾した結果が出ているのか？

主な発見

• 感度精度が方向に強く依存し、電場に対して垂直な方向（90°）で最大精度を示す場合、ネマチック秩序が電場への集団的応答の方向性を顕著に向上させる。
• 平均速度に対して垂直に整列する細胞は、特にネマチック秩序と組み合わせた場合、電場センシングの正確さが向上する。
• 細胞同士のネマチック相互作用は、感度精度が方向に強く依存する場合にのみ、クラスタの方向性を向上させる。
• 強い細胞同士の接着は電場への方向性応答を向上させ、その破壊が実験的報告における接着の必要性に関する矛盾を説明できる。
• 実験的な方向分布と一致させるために、回転拡散係数D_r = 0.003 rad²/minが選択され、モデルの生物学的妥当性が裏付けられた。
• シミュレーションでは、最終的な定常状態の方向性が約5時間後に安定化し、各実行の最後の5時間における平均値が報告された。