[論文レビュー] Geometric signatures of tissue surface tension in a three-dimensional model of confluent tissue

Preeti Sahu, J. M. Schwarz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 86被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、3次元コンフルエント組織における2種類の細胞型間の組織表面張力が、特徴的な幾何的シグネチャー（ネマチック的整列、二峰性の側面面積、界面における細胞中心の登録）を生成することを提案している。これにより、3次元組織セグメンテーションから直接的に界面張力を推定できる。3次元ボロノイモデルと最小限の秩序化格子モデルを用いて、体積内の細胞形状の好みと界面エネルギーの最小化の競合が、これらの特徴を生じさせることを示しており、これらは印加された張力に線形に比例する。

ABSTRACT

In dense biological tissues, cell types performing different roles remain segregated by maintaining sharp interfaces. To better understand the mechanisms for such sharp compartmentalization, we study the effect of an imposed heterotypic tension at the interface between two distinct cell types in a fully 3D model for confluent tissues. We find that cells rapidly sort and self-organize to generate a tissue-scale interface between cell types, and cells adjacent to this interface exhibit signature geometric features including nematic-like ordering, bimodal facet areas, and registration, or alignment, of cell centers on either side of the two-tissue interface. The magnitude of these features scales directly with the magnitude of imposed tension, suggesting that biologists can estimate the magnitude of tissue surface tension between two tissue types simply by segmenting a 3D tissue. To uncover the underlying physical mechanisms driving these geometric features, we develop two minimal, ordered models using two different underlying lattices that identify an energetic competition between bulk cell shapes and tissue interface area. When the interface area dominates, changes to neighbor topology are costly and occur less frequently, which generates the observed geometric features.

研究の動機と目的

• 本論文の目的は、3次元コンフルエント組織における鋭い可変界面を駆動する組織表面張力のメカニズムを理解することである。
• 2種類の細胞型間の界面における幾何的特徴が、ヘテロタイプ界面張力（HIT）の直接的指標として機能するかを調査することである。
• 特にトポロジカル制約とエネルギーの競合が果たす役割を含め、3次元での細胞ソーティングの物理的メカニズムを解明することである。
• 幾何的特徴がHITの大きさに比例することを検証し、直接的な張力測定なしに実験的に推定可能であることを示すことである。
• 最小限のモデルが、完全な3次元シミュレーションで観察された幾何的秩序の現象を再現・説明できるかを検証することである。

提案手法

• 周期的境界条件を有する3次元ボロノイタイル化モデルを用いて、コンフルエント組織をシミュレートし、細胞中心をボロノイの生成点とする。
• 細胞には所望の体積V₀と表面積S₀が割り当てられ、所望の形状インデックスs₀ = S₀/V₀^(2/3)が定義される。
• ヘテロタイプ界面張力（HIT）は、異なる細胞型間の界面面積を減らす傾向を示す追加のエネルギー項として導入される。
• ボルツマン体心立方（BCC）および六方最密格子（HCP）の2つの最小限の秩序化格子モデルを構築し、体積内での細胞形状エネルギーと界面エネルギーの競合を分離する。
• 細胞層間のレジストリ（整列）の変化が共有表面積と全エネルギーに与える影響を分析する。
• 数値的シミュレーションと勾配降下ダイナミクスによるエネルギー最小化を用いて、力学的平衡状態と回復力の挙動を調査し、摂動を加えて力の応答を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元コンフルエント組織における2種類の細胞型間の界面における幾何的特徴が、ヘテロタイプ界面張力（HIT）の信頼できる指標として機能するか？
• RQ2 ネマチック的整列、二峰性の側面面積、界面における細胞中心の登録が生じる背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 体積内での細胞形状の好みと界面エネルギーの最小化の競合が、3次元で全系エネルギーを最小化するメカニズムは何か？
• RQ4 界面の摂動に対する回復力応答は、力学的平衡状態でフック的か、非フック的（くす型）の挙動を示すか？
• RQ5 最小限の格子モデルが、完全な3次元ボロノイシミュレーションで観察された幾何的およびエネルギー的特徴を再現できるか？

主な発見

• ヘテロタイプ界面張力（HIT）が作用すると、細胞は急速に異なるコンpartmentsに分離し、3次元で鋭く変形可能な界面を形成する。
• 界面に隣接する細胞はネマチック的整列を示し、側面面積が二峰性分布を示す。
• 界面をはさんで反対側にある細胞中心は登録（整列）を示す。これはHITの大きさに線形に比例する幾何的シグネチャーである。
• 幾何的シグネチャーの強さ（ネマチック整列、二峰性の面積、登録）は、印加された界面張力の大きさに比例して増加する。
• 高張力下の摂動に対する界面細胞の回復力は、トポロジカル制約による非解析的エネルギー最小値のため、くす型の非フック的挙動を示す。
• 最小限のモデル（BCCおよびHCP格子）は、体積内での形状エネルギーと界面エネルギーの競合が、3次元で細胞のソーティングおよび幾何的シグネチャーの出現を駆動することを確認している。