[論文レビュー] Topological defect launches 3D mound in the active nematic sheet of neural progenitors

Kyogo Kawaguchi, Ryoichiro Kageyama+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Micro and Nano Robotics被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、神経幹細胞（NPC）の2次元アクティブネマチック膜において、+1/2のトポロジカル欠陥が、異方的摩擦およびアクティブ力によって駆動される局所的細胞蓄積を通じて3次元のマウンドを誘導することを明らかにした。このメカニズムは、アクティブネマチック系における細胞密度制御のハブとしてのトポロジカル欠陥の役割を説明しており、ライブイメージングおよび単一細胞追跡による実験的検証により、速度の逆転および位相依存のダイナミクスが観察された。

ABSTRACT

Cultured stem cells have become a standard platform not only for regenerative medicine and developmental biology but also for biophysical studies. Yet, the characterization of cultured stem cells at the level of morphology and macroscopic patterns resulting from cell-to-cell interactions remain largely qualitative, even though they are the simplest features observed in everyday experiments. Here we report that neural progenitor cells (NPCs), which are multipotent stem cells that give rise to cells in the central nervous system, rapidly glide and stochastically reverse its velocity while locally aligning with neighboring cells, thus showing features of an active nematic system. Within the two-dimensional nematic pattern, we find interspaced topological defects with +1/2 and -1/2 charges. Remarkably, we identified rapid cell accumulation leading to three-dimensional mounds at the +1/2 topological defects. Single-cell level imaging around the defects allowed quantification of the evolving cell density, clarifying that not only cells concentrate at +1/2 defects, but also escape from -1/2 defects. We propose the mechanism of instability around the defects as the interplay between the anisotropic friction and the active force field, thus addressing a novel universal mechanism for local cell density control.

研究の動機と目的

• 神経幹細胞（NPC）の集団的細胞運動および整列が、どのように巨視的パターンを生じるかを理解すること。
• 2次元アクティブネマチック系における3次元形態形成を組織化するトポロジカル欠陥の役割を調査すること。
• 速度のスイッチングおよびネマチック秩序を含む細胞ダイナミクスを定量し、それらを細胞周期の段階と関連付けること。
• +1/2欠陥における局所的細胞蓄積および-1/2欠陥からの脱出の背後にある物理的メカニズムを同定すること。
• アクティブネマチック行動と幹細胞培養における出現する3次元構造を結びつける生物物理学的モデルを構築すること。

提案手法

• H2B-mCherryを発現するNPCのライブワイドフィールドイメージングにより、単一細胞の軌道を追跡し、運動ダイナミクスを定量すること。
• Fucci細胞周期レポーターを用いて、速度逆転がG1/G2段階と相関することを特定すること。
• ネマチック秩序パラメータおよび自己相関関数の計算により、整列および記憶なしの運動を分析すること。
• 欠陥のない領域における細胞密度と整列フラクチュエーションの空間相関解析により、拡張的アクティブネマチック行動を同定すること。
• 欠陥周囲のネマチック秩序プロファイルを球対称モデルにフィットさせ、欠陥コア構造を抽出すること。
• 実験的フィッティングから得たパラメータを用いたシミュレーションにより、欠陥周囲の密度変化の進化を再現し、理論的予測の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NPCの2次元アクティブネマチック膜におけるトポロジカル欠陥は、3次元形態形成にどのように影響するか？
• RQ2 +1/2欠陥における細胞蓄積および-1/2欠陥における細胞枯渇を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 NPCにおいて、細胞速度の逆転およびネマチック秩序は、細胞周期の段階とどのように相関するか？
• RQ4 NPC培養において、アクティブネマチック相関および巨大な数のフラクチュエーションはどの程度顕在化するか？
• RQ5 観察されたマウンド形成は、異方的摩擦とアクティブ力場の相互作用によって説明可能か？

主な発見

• 高密度培養下では、NPCは約3時間の時間スケールで速度逆転を示す、速いネマチック様の運動を示す。
• +1/2トポロジカル欠陥は、3次元マウンドの核化サイトとして機能し、理論的予測と整合的な速度で細胞密度が半径方向に増加する。
• 単一細胞追跡および密度プロファイルのフィッティングにより、+1/2欠陥に細胞が蓄積され、-1/2欠陥から脱出する様子が定量的に示された。
• ネマチック自己相関関数は緩やかに減衰し、180°の再配列がランダム運動ではなく、アクティブネマチックダイナミクスに一致する。
• 密度と整列フラクチュエーションの空間相関は第1および第3象限で正であり、系が拡張的アクティブネマチックであることを確認した。
• 実験的に得たパラメータを用いたシミュレーションにより、観察されたマウンド成長が再現され、異方的摩擦およびアクティブ力によって駆動される不安定性のメカニズムを支持する結果が得られた。