[논문 리뷰] A minimal model for structure, dynamics, and tension of monolayered cell colonies

Debarati Sarkar, Gerhard Gompper외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 08.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 59인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 단층 세포 집합체에서 관찰된 액체-진공 공존 현상을 기록하기 위해 장거리 범위의 넓은 최소값을 가진 힘을 갖는 최소한의 활성 브라운 입자 모델을 제안한다. 이 모델은 유체 역학적 행동, 응집성 있는 가장자리 거동, 외향성으로 정렬된 세포에 의한 인장 응력, 그리고 강한 추진력 하에서의 집단적 탈락을 재현하며, 속도 정렬은 나선형 운동과 응력을 증가시킨다.

ABSTRACT

The motion of cells in tissues is an ubiquitous phenomenon. In particular, in monolayered cell colonies in vitro, pronounced collective behavior with swirl-like motion has been observed deep within a cell colony, while at the same time, the colony remains cohesive, with not a single cell escaping at the edge. Thus, the colony displays liquid-like properties inside, in coexistence with a cell-free "vacuum" outside. How can adhesion be strong enough to keep cells together, while at the same time not jam the system in a glassy state? What kind of minimal model can describe such a behavior? Which other signatures of activity arise from the internal fluidity? We propose a novel active Brownian particle model with attraction, in which the interaction potential has a broad minimum to give particles enough wiggling space to be collectively in the fluid state. We demonstrate that for moderate propulsion, this model can generate the fluid-vacuum coexistence described above. In addition, the combination of the fluid nature of the colony with cohesion leads to preferred orientation of the cell polarity, pointing outward, at the edge, which in turn gives rise to a tensile stress in the colony -- as observed experimentally for epithelial sheets. For stronger propulsion, collective detachment of cell clusters is predicted. Further addition of an alignment preference of cell polarity and velocity direction results in enhanced coordinated, swirl-like motion, increased tensile stress and cell-cluster detachment.

연구 동기 및 목표

• 세포 집합체가 강한 집단적 운동에도 불구하고 내부적으로는 유체 역학적 행동을 유지하면서 가장자리에서는 응집성을 유지하고 세포 탈락을 피하는 방식을 이해하기 위해.
• 강한 점착성이 탈락을 방지하면서도 유동성을 허용하는 역설을 해결하기 위해, 넓은 최소값을 가진 수정된 상호작용 잠재력 도입을 통해.
• 편평한 세포 시트에서 실험적으로 관측된 인장 응력의 기원을 설명하기 위해, 특히 집합체 가장자리에서 세포 극성 정렬이 어떻게 기여하는지 밝히기 위해.
• 속도 정렬과 추진력 증가가 있는 상황에서 집단적 세포 탈락이 발생하는 조건을 조사하기 위해.
• 최소한의 물리 모델이 복잡한 생물학적 현상, 예를 들어 나선형 운동과 집단 세포 이동에서의 기계적 응력과 같은 현상을 재현할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 시간 진화를 위해 자기 추진력, 회전 확산, 랑주반 역학을 포함한 활성 브라운 입자(ABP) 모델을 채택한다.
• 고체화를 방지하기 위해, 강한 점착성에서도 유동성을 유지할 수 있도록, 길이 ¯σ의 확장된 흡인 영역을 가진 수정된 레너드존 잠재력 도입.
• 단거리 반발력과 장거리 흡인력 사이의 힘 없는 영역을 포함하여, 응집성과 이동성 모두를 가능하게 한다.
• 활성력 대 열력의 비율을 정량화하기 위해 페클레 수(Pe)를 사용하며, 이는 집단적 운동의 정도를 제어한다.
• 협동적이고 나선형 운동을 촉진하고 인장 응력을 증가시키기 위해, 이웃 세포 간의 속도 정렬 상호작용을 추가한다.
• 이동 및 회전 운동에 대해 가우시안 백색 노이즈를 사용한 확률적 시뮬레이션을 실시하며, Drσ²/D = 3을 설정하여 회전 확산을 이동 확산보다 강하게 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포 집합체는 내부적으로는 유체 역학적 행동을 유지하면서도 가장자리에서는 응집성을 유지하고 세포 탈락을 피할 수 있는가?
• RQ2 어떤 최소한의 물리 모델이 단층 세포 집합체에서 실험적으로 관측된 액체-진공 공존 현상을 재현할 수 있는가?
• RQ3 유동성과 응집성의 조합이 어떻게 집합체에서 인장 응력을 유도하는가? 이는 편평한 세포 시트에서 관측된 바와 일치하는가?
• RQ4 세포 극성 정렬이 속도와 함께 어떻게 집단적 운동을 향상시키고 클러스터 탈락을 촉진하는가?
• RQ5 이 모델에서 집단적 세포 클러스터 탈락이 발생하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 넓은 흡인 우물(¯σ 증가)을 가진 수정된 ABP 모델은 액체-진공 공존을 가능하게 하며, ¯σ가 증가할수록 공존 영역이 넓어진다.
• 중간 정도의 추진력(Pe ≈ 15)에서 모델은 나선형 운동과 응집성 가장자리를 보이며, MDCK 집합체의 실험 관측과 일치한다.
• 집합체 가장자리에서 외향성으로 정렬된 세포는 실험 측정치와 일치하는 인장 응력을 생성한다.
• 더 강한 추진력(Pe > 20)은 세포 클러스터의 집단적 탈락을 유도하며, 탈락 임계점은 힘의 강도와 정렬 정도에 따라 달라진다.
• 속도 정렬 상호작용은 협동적 나선형 운동을 크게 향상시키고 인장 응력을 증가시키며, 속도 상관 함수 Cvv(r)의 음의 최소값은 장거리 질서를 나타낸다.
• 모델은 인장 응력과 집단적 운동이 복잡한 생화학적 신호 전달이 필요 없이, 유동성, 응집성, 극성 정렬 간의 상호작용에서 기인한다는 것을 예측한다.