[論文レビュー] Simulating Organogenesis in COMSOL: Image-based Modeling

Zahra Karimaddini, Erkan Ünal+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Developmental Biology and Gene Regulation参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、画像データから得た3次元胚の幾何学的形状を用いて、COMSOL Multiphysicsを用いた画期的な画像ベースのモデリング手法を提示し、臓器形成を模擬する。Matlab LiveLinkを用いてドメインをインポートし、任意ラグランジュ・エーランジュアン（ALE）法を採用することで、著者らは著しく変形する組織上でのシグナル伝達ダイナミクスの正確なシミュレーションを可能にした。その有効性は、マウスの四肢巣発生の事例で示された。

ABSTRACT

Mathematical Modelling has a long history in developmental biology. Advances in experimental techniques and computational algorithms now permit the development of increasingly more realistic models of organogenesis. In particular, 3D geometries of developing organs have recently become available. In this paper, we show how to use image-based data for simulations of organogenesis in COMSOL Multiphysics. As an example, we use limb bud development, a classical model system in mouse developmental biology. We discuss how embryonic geometries with several subdomains can be read into COMSOL using the Matlab LiveLink, and how these can be used to simulate models on growing embryonic domains. The ALE method is used to solve signaling models even on strongly deforming domains.

研究の動機と目的

• 実験的データから得た3次元画像誘導幾何学を用いて、臓器形成をシミュレートする計算フレームワークの開発を目的とする。
• 発生過程における著しく変形する胚的領域における生物学的シグナル伝達のモデリングという課題に取り組む。
• 複雑で変化し続ける幾何学的形状における形態形成グレディエントおよび組織成長の現実的なシミュレーションを可能にする。
• 画像データ、有限要素法、およびALEを組み合わせることで、発生生物学のモデリングが実現可能であることを実証する。

提案手法

• Matlab LiveLinkを介して、複数のサブドメインを有する3次元セグメンテーション済み胚的幾何学をCOMSOLにインポートする。
• 成長する組織における大きな変形を処理するために、任意ラグランジュ・エーランジュアン（ALE）法を活用する。
• 時間的に変化する領域における形態形成グレディエントシグナルの偏微分方程式（PDE）を設定する。
• 有限要素解析のための構造的計算メッシュに、実験的画像データ（例：四肢巣）をマッピングする。
• エクトデルム、メシオデルム、およびシグナルセンターなどのサブドメインを定義するために、レベルセット法または画像セグメンテーション技術を用いる。
• マウス四肢巣発生における既知の生物学的ダイナミクスとの比較を通じて、モデルの挙動を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発達中の臓器の3次元画像ベース幾何学を、有限要素シミュレーションで効果的にインポートし、活用する方法は何か？
• RQ2 ALE法は、臓器形成における著しく変形する胚的組織上でのシグナル伝達ダイナミクスを正確にシミュレートできるか？
• RQ3 ドメインの成長および形態的変化が、シグナル分子の空間的・時間的分布に与える影響は何か？
• RQ4 画像誘導データを、発生過程のための計算モデルに体系的に変換する方法は何か？
• RQ5 COMSOLとMatlab LiveLinkは、複雑でマルチティッシュな発生系のシミュレーションをどの程度サポートできるか？

主な発見

• Matlab LiveLinkを介した画像ベース幾何学のCOMSOLへの統合により、複雑な胚的構造の高精度な表現が可能になった。
• ALE法は、成長する組織における大きな変形を効果的に処理し、時間経過に伴うPDE解の精度を維持した。
• 本フレームワークにより、マウスの四肢巣のような生物学的に現実的な、変化する領域における形態形成グレディエントのシミュレーションが可能になった。
• 本アプローチは、異なる組織層における個別の生化学的反応を可能にするマルチコンパートメントモデリングを支援する。
• 空間的・時間的分解能が実験的画像と一致する動的プロセスのシミュレーションが、本手法によって実現可能であることが示された。
• ワークフローは、画像データを用いた他の発生系のモデリングに応用可能で、再現可能かつ拡張可能なプラットフォームを提供する。