[論文レビュー] The morphodynamics of 3D migrating cancer cells

Christopher Eddy, Xinyao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2018

Cellular Mechanics and Interactions被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、3次元で移動するMDA-MB-231がん細胞が、細胞外マトリックス（ECM）の力学的特性とRhoシグナル伝達経路によって制御される動的な形態変化（形態動態）を示すことを明らかにした。この形態動態は、異なる移動モード間の形態変化を引き起こす。機械学習を用いて5つの形態的プロファイルに細胞を分類した結果、これらの変化は細胞がより能動的な形態に移行できるようにすることで、侵襲的潜在能力を高めることを示した。形態動態は、がん細胞の移動能および転移の主要なバイオマーカーであると考えられる。

ABSTRACT

Cell shape is an important biomarker that is directly linked to cell function. However, cell morphodynamics, namely the temporal fluctuation of cell shape is much less understood. We study the morphodynamics of MDA-MB-231 cells in type I collagen extracellular matrix (ECM). We find ECM mechanics, as tuned by collagen concentration, controls the morphodynamics but not the static cell morphology. We employ machine learning to classify cell shape into five different morphological phenotypes corresponding to different migration modes. As a result, cell morphodynamics is mapped into temporal evolution of morphological phenotypes. We systematically characterize the phenotype evolutions including occurrence probability, dwell time, transition flux, and 3D migrational characteristics. We find that manipulating Rho-signaling enhances the morphodynamics and phenotype transitions. Using a tumor organoid model, we show that the distinct invasion potentials of each phenotype modulate the phenotype homeostasis. Overall invasion of a tumor organoid is facilitated by individual cells searching for and committing to phenotypes of higher invasive potential. In conclusion, we show that 3D migrating cancer cells exhibit rich morphodynamics that is regulated by ECM mechanics, Rho-signaling, and is closely related with cell motility. Our results pave the way to the systematic characterization and functional understanding of cell morphodynamics as a new biomarker for normal and malignant cells.

研究の動機と目的

• 細胞外マトリックス（ECM）の力学的特性が、3次元で移動するがん細胞の細胞形状の時間的ダイナミクス（形態動態）に与える影響を調査すること。
• 機械学習を用いて、異なる移動プログラムに対応する明確な形態的プロファイルに細胞形状を分類すること。
• 形態的プロファイルの変化が、腫瘍オルガノイドにおける3次元移動能および侵襲的潜在能力に与える影響を特定すること。
• Rhoシグナル伝達が、3次元環境における形態動態のフラクチュエーションおよびプロファイルの安定性をどのように調節するかを検討すること。
• 形態動態が3次元環境におけるがん細胞の移動能および転移潜在能力の機能的バイオマーカーとして成立するかを確立すること。

提案手法

• コラーゲン濃度を変化させた1.0–2.0 mg/mLの3次元タイプIコラーゲンマトリックスにおけるMDA-MB-231細胞のタイムラプス蛍光顕微鏡観察。
• 細胞セグメンテーションおよび幾何的特徴抽出（面積、周囲長、アスペクト比、剛性、形状係数）を用いて、各タイムポイントにおける細胞形状を定量化。
• 機械学習を用いて細胞形状を5つの形態的プロファイルに分類：フィロポディアル、ラメリポディアル、ロボポディアル、小胞様ブレービング、ヘミスフェリカルブレービング。
• プロファイル動態の定量的分析：出現確率、留着時間、遷移フラックス、および3次元移動特性（パーコーレンス、拡散度）。
• ROCK阻害薬Y-27632を用いたRhoシグナル伝達の薬理学的干渉により、形態動態行動への影響を評価。
• 腫瘍オルガノイド侵襲アッセイを実施し、遊離細胞のプロファイル構成と侵襲的潜在能力の相関を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コラーゲン濃度で調整されたECMの剛性は、3次元で移動するMDA-MB-231細胞の形態動態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どの形態的プロファイルが明確な移動プログラムに対応し、それらの遷移ダイナミクスは3次元移動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Rhoシグナル伝達の調節は、3次元環境における形態的プロファイルの安定性およびダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 プロファイルの遷移は、3次元腫瘍オルガノイドモデルにおけるがん細胞の侵襲的潜在能力にどの程度寄与するか？
• RQ5 形態動態は、がん細胞の移動能および転移行動の機能的バイオマーカーとして成立するか？

主な発見

• コラーゲン濃度によるECM力学的特性の調整は、形態動態を顕著に制御するが、静的細胞形状の集合的分布に変化をもたらさない。
• 細胞は迅速な動的形状変化を示し、時間経過とともに複数の形態的プロファイルをサンプリングするが、コラーゲン濃度が高くなると遷移率が上昇する。
• 1.5 mg/mLコラーゲンでフィロポディアルプロファイルが最高のパーコーレンス（0.77 μm/s）と拡散度（0.48 μm²/s）を示し、中程度の剛性下での最適な移動能を示す。
• Y-27632によるRhoシグナル伝達の阻害は、形態動態の活性を高め、プロファイル間の形状変動および遷移率を増加させる。
• 腫瘍オルガノイドにおいて、遊離細胞は主に高侵襲的プロファイルで構成されており、特にフィロポディアルおよびラメリポディアルプロファイルが顕著である。これは、侵襲過程におけるプロファイル選択を示唆する。
• ECM剛性に応じたプロファイルのホメオスタシスのシフトが観察された：2.0 mg/mLコラーゲンではブレービングプロファイルが優勢（60%の出現率）、1.0 mg/mLではミエノイドプロファイルがより安定的であった。これは、状況依存的なプロファイルダイナミクスを示している。