[論文レビュー] From jamming to collective cell migration through a boundary induced transition

Oleksandr Chepizhko, Maria Chiara Lionetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Micro and Nano Robotics被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、傷の創出が誘発する境界由来のアンジャンミング遷移が、コンフラuentな細胞単層膜で発生することを明らかにした。傷が作られることで、静的でアンジャンム状態にあった細胞が、急速に流れやすく、集団的移動を示す状態に転移する。実験とアクティブ粒子シミュレーションの両方から、細胞は自己駆動力と整列の増強によって再組織化され、有限サイズスケーリングを用いて同定された相転移線を越える。このメカニズムは、上皮細胞、内皮細胞、がん細胞のすべてで保存されている。

ABSTRACT

Cell monolayers provide an interesting example of active matter, exhibiting a phase transition from a flowing to jammed state as they age. Here we report experiments and numerical simulations illustrating how a jammed cellular layer rapidly reverts to a flowing state after a wound. Quantitative comparison between experiments and simulations shows that cells change their self-propulsion and alignement strength so that the system crosses a phase transition line, which we characterize by finite-size scaling in an active particle model. This wound-induced unjamming transition is found to occur generically in epithelial, endothelial and cancer cells.

研究の動機と目的

• コンフラuentな単層膜におけるアンジャンム状態から集団的細胞移動状態への転移を支配する物理的メカニズムを解明すること。
• 傷によって誘発されるアンジャンミング転移が、さまざまな細胞タイプに共通する現象であるかどうかを特定すること。
• 実験的およびシミュレーションデータを用いて、アンジャンム状態から流れ状態への相転移を特徴付けること。
• アンジャンミング転移を駆動する主要な物理的パラメータ（自己駆動力と整列強度）を同定すること。
• 有限サイズスケーリングを用いて、傷によって誘発される境界効果と集団的細胞ダイナミクスとの間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• ヘラ細胞、MCF-10A、マウス内皮細胞のコンフラuentな単層膜における傷の治癒を、さまざまな培養条件下で時間分解能をもって撮影した。
• 粒子画像速度計測法（PIV）を用いて、実験データからの速度場を抽出し、集団的運動を定量した。
• 自己駆動力と整列強度を調整可能なアクティブ粒子モデルを用いて、広範な数値シミュレーションを実施した。
• 有限サイズスケーリングを用いて、アンジャンム状態と流れ状態の間の相転移線を特徴付けた。
• 速度分布と平均速度の差を組み合わせたコスト関数を最小化することで、シミュレーションのパラメータを実験データにフィットさせた。
• 実験とシミュレーションの速度分布および平均速度を比較し、モデルの妥当性を検証するとともに、傷の創出後のパラメータの変化を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 傷の創出後にコンフラuentな細胞単層膜がアンジャンム状態から流れ状態に転移する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 傷によって誘発されるアンジャンミング転移は、さまざまな上皮細胞、内皮細胞、がん細胞に共通する現象であるか？
• RQ3 自己駆動力と整列強度の変化が、アンジャンム状態から集団的移動状態への相転移にどのように寄与するか？
• RQ4 アクティブ粒子モデルから導かれる相図を用いて、アンジャンミング転移を定量的に記述できるか？
• RQ5 傷の境界は、集団的細胞の再配列と流動化を誘発・伝播させる役割を果たすか？

主な発見

• 傷が、迅速で境界由来のアンジャンミング転移を誘発し、静的でアンジャンム状態の単層膜が、流れやすく集団的移動を示す状態に変化する。
• 細胞は傷の創出後に自己駆動力と整列強度を増加させ、有限サイズスケーリングによって同定された相転移線を越える。
• アンジャンミング転移は、上皮細胞、内皮細胞、がん細胞のすべての細胞系で普遍的に観察され、保存された物理的メカニズムであることが示された。
• 速度場の再組織化は傷縁で始まり、内側へと伝播する。これは、応力誘発シグナル伝達およびプリトヒォタキシスと整合的である。
• 実験とシミュレーションの間で定量的な一致が確認され、自己駆動力と整列強度の変化がアンジャンミング転移を説明するのに十分であることが示された。
• 相転移は、自己駆動力と整列強度のパラメータ空間における臨界点として特徴付けられ、有限サイズスケーリングによってその普遍性が裏付けられた。