[論文レビュー] Simulating Organogenesis in COMSOL: Cell-based Signaling Models

Jannik Vollmer, Denis Menshykau+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2013

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、細胞解像度で形態形成をシミュレートするための COMSOL Multiphysics ベースのフレームワークを提示する。細胞膜、細胞質、核といった細胞小器官を含む、細胞ベースのシグナリングをモデル化する。離散的な細胞環境における形態形成因子の拡散および反応ダイナミクスの正確な時空間的シミュレーションを可能にし、連続的領域近似を超えて生物学的パターン形成のモデリングを進める。

ABSTRACT

Most models of biological pattern formation are simulated on continuous domains even though cells are discrete objects that provide internal boundaries to the diffusion of regulatory components. In our previous papers on simulating organogenesis in COMSOL (Germann et al COMSOL Conf Procedings 2011; Menshykau and Iber, COMSOL Conf Proceedings 2012) we discussed methods to efficiently solve signaling models on static and growing continuous domains. Here we discuss COMSOL-based methods to study spatio-temporal signaling models at cellular resolution with subcellular compartments, i.e. cell membrane, cytoplasm, and nucleus.

研究の動機と目的

• COMSOL Multiphysics を用いた細胞解像度での生物学的パターン形成のシミュレーション手法の開発を目的とする。
• 細胞膜、細胞質、核といった明確な細胞小器官を有する離散的細胞を、シグナリングモデルに組み込むことを目的とする。
• 細胞境界を考慮することで、連続的領域近似を超えて形態形成因子の拡散をより正確にモデル化することを目的とする。
• 形態形成過程における時空間的シグナリングダイナミクスの効率的シミュレーションを可能にすることを目的とする。
• 生物学的に現実的な区画化を備えた細胞ベースのシグナリングをモデリングするためのフレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• モデルは、COMSOL 内の有限要素法（FEM）フレームワークを用いて、形態形成因子の拡散および反応を記述する偏微分方程式（PDE）を解く。
• 細胞は、それぞれの形態形成因子濃度を記述する別個の PDE を有する内部区画を備えた離散的実体として表現される。
• 細胞境界は明示的にモデル化され、拡散を制限することで、細胞膜の生物学的現実を反映する。
• モデルは静的領域および成長領域の両方をサポートしており、発生過程のシミュレーションが可能である。
• 細胞小器官の区画化により、膜、細胞質、核を横断する形態形成因子ダイナミクスの追跡が可能である。
• 反応拡散系と細胞レベルの幾何学的形状および境界条件を統合するアプローチである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的細胞幾何学を、形態形成の反応拡散モデルにどのように正確に組み込むことができるか？
• RQ2 細胞小器官の区画化が、形態形成因子の分布およびシグナリングダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ3 COMSOL は、生物学的に関係のある領域成長を伴う細胞解像度での時空間的シグナリングを効率的にシミュレートできるか？
• RQ4 細胞境界は、パターン形成のロバスト性および安定性にどのように影響するか？
• RQ5 連続的領域近似と比較して、細胞ベースのモデリングにはどのような計算上の利点があるか？

主な発見

• モデルは、細胞の寸法に一致する空間解像度で形態形成因子勾配を正確にシミュレートし、区画特異的なダイナミクスを明らかにした。
• 細胞膜の明示的モデル化により、細胞境界を越えた形態形成因子の拡散が抑制され、生物学的現実性が向上した。
• 細胞小器官の区画化により、核内移動および転写活性化の正確なシミュレーションが可能になった。
• 本手法は、COMSOL において静的および成長領域の両方で、安定的かつ効率的なシグナリングシミュレーションを可能にした。
• 本フレームワークは、高い空間忠実度で細胞レベルでの複雑な発生過程をモデリングする可能性を示した。
• 細胞の不均一性および内部境界を考慮することで、連続的領域モデルに比べて顕著な改善が得られた。