[論文レビュー] Epithelial Tissue Growth Dynamics: Universal or Not?

Mahmood Mazarei, Jan Åström+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Cellular Mechanics and Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、変形可能な細胞の運動的分割モデルを用いて、上皮組織の成長ダイナミクスが普遍的クラスに一意に支配されているわけではないことを示した。細胞同士の接着強度を変化させることで、弱い接着ではMBEに類似したスケーリング、強い接着ではKPZに類似したスケーリングを再現し、細胞間相互作用の力学的および接着的調整によって、界面粗さにおける普遍性に関する長年の論争を解消した。

ABSTRACT

Universality of interfacial roughness in growing epithelial tissue has remained a controversial issue. Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) and Molecular Beam Epitaxy (MBE) universality classes have been reported among other behaviors including total lack of universality. Here, we utilize a kinetic division model for deformable cells to investigate cell-colony scaling. With seemingly minor model changes, it can reproduce both KPZ- and MBE-like scaling in configurations that mimic the respective experiments. This result neutralizes the apparent scaling controversy. It can be speculated that this diversity in growth behavior is beneficial for efficient evolution and versatile growth dynamics.

研究の動機と目的

• 上皮組織の成長がKPZやMBEのような普遍的スケーリング則に従うかどうかという長年の論争を解消すること。
• 細胞の力学的および接着的性質が、成長するコロニーにおける界面粗さとスケーリング行動に与える影響を調査すること。
• 実験で観察されたスケーリング指数の違いが、内在的な普遍性に起因するのか、モデル固有のパラメータに起因するのかを特定すること。
• 多様な成長ダイナミクスが、細胞接着および力学的相互作用の微細な変化に起因するという仮説を検証すること。

提案手法

• 可変な細胞同士の接着強度を有する変形可能な細胞の運動的分割モデルを用い、径方向および線形のコロニー成長をシミュレートした。
• 生物学的マイクロ環境を再現するため、細胞分裂、力学的力、摩擦をモデルに組み込んだ。
• インターフェース幅および構造因子から、臨界指数β、α、zを抽出するために、Family-Vicsekスケーリング関係を用いたスケーリング解析を実施した。
• Brúら（MBEに類似）およびHuergoら（KPZに類似）の実験データと比較することで、シミュレーションのスケーリング崩壊が実験データと整合することを検証した。
• 接着強度、細胞剛性、摩擦、分裂ルールを系統的に変化させ、スケーリング行動のロバストネスをテストした。
• 実験と整合する形で、コロニー先端のフラクタル次元および速度を解析し、形態的および運動論的整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の細胞ベースのモデルが、上皮組織成長においてMBEに類似したスケーリングとKPZに類似したスケーリングの両方を再現できるか？
• RQ2 成長コロニーがMBEスケーリングかKPZスケーリングを示すかを決定づける力学的または接着的パラメータは何か？
• RQ3 実験報告におけるKPZとMBEの普遍性の間にある顕在的な矛盾は、モデルの違いに起因するのか、生物学的ばらつきに起因するのか？
• RQ4 細胞同士の接着強度の変化が、径方向および線形成長設定におけるスケーリング指数β、α、zにどのように影響するか？
• RQ5 細胞-媒体間摩擦、細胞膜間摩擦、細胞タイプの多様性の変化に対して、スケーリング行動はどの程度ロバストか？

主な発見

• 弱い細胞同士の接着では、グローバル粗さ指数α_glob = 0.95 ± 0.04、成長指数β_weak = 0.40 ± 0.04のMBEに類似したスケーリングを示した。
• 強い接着では、KPZに類似したスケーリングを示し、β_strong = 0.42 ± 0.06および局所粗さ指数α_loc = 0.70 ± 0.01を示した。
• 界面のフラクタル次元は、条件に関係なく安定しており（1.13–1.26）、実験観察と整合的であった。
• コロニー先端の速度は一定であった（弱い接着ではv ≈ 4.24、強い接着ではv ≈ 2.15）、実験で観察された一定速度成長と整合的であった。
• 細胞-媒体間摩擦、細胞膜間摩擦、分裂ルール、細胞剛性の多様性の変化に対しても、スケーリング行動はロバストであった。
• BrúらおよびHuergoらのデジタイズされた実験データは、シミュレーションのスケーリング崩壊と良好に一致し、モデルの予測能力を裏付けた。