[논문 리뷰] Active Tension Network model of epithelial mechanics

Nicholas Noll, Madhav Mani외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 03.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 4

한 줄 요약

액티브 텐션 네트워크(ATN) 모델은 다각형 세포 구조 내에서 코어티컬 긴장 지배와 긴장에 의존하는 코어티컬 재구성에 기반한 간판 조직의 기계적 프레임워크를 제안한다. 이 모델은 이소거성(각도 유지) 세포 변형이 조직 역학을 지배하며, Drosophila의 복부 주름 형성 기간 동안 관측된 세포 형태 변화의 약 90%를 설명하고, 조직 기하학으로부터 국소 코어티컬 긴장을 추론할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

It is now widely recognized that mechanical interactions between cells play a crucial role in epithelial morphogenesis, yet understanding the mechanisms through which stress and deformation affect cell behavior remains an open problem due to the complexity inherent in the mechanical behavior of cells and the difficulty of direct measurement of forces within tissues. Theoretical can help by focusing experimental studies and by providing the framework for interpreting measurements. To that end, vertex models have introduced an approximation of epithelial cell mechanics based on a polygonal tiling representation of planar tissue. Here we formulate and analyze an Active Tension Network (ATN) model, which is based on the same polygonal representation of epithelial tissue geometry, but in addition i) assumes that mechanical balance is dominated by cortical tension and ii) introduces tension dependent local remodeling of the cortex, representing the active nature of cytoskeletal mechanics. The tension-dominance assumption has immediate implications for the geometry of cells, which we demonstrate to hold in certain types of Drosophila epithelial tissues. We demonstrate that stationary configurations of an ATN form a manifold with one degree of freedom per cell, corresponding to - i.e. angle preserving - deformations of cells, which dominate the dynamic response to perturbations. We show that isogonal modes account for approximately 90% of experimentally observed deformation of cells during the process of ventral furrow formation in Drosophila. Other interesting properties of our model include the exponential screening of mechanical stress and a negative Poisson ratio response to external uniaxial stress. We also provide a new approach to the problem of inferring local cortical tensions from the observed geometry of epithelial cells in a tissue

연구 동기 및 목표

• 세포 행동의 능동적이고 세 cytoskeleton 기반의 성격을 반영하는 간판 조직 기계학의 기계적 모델을 개발하는 것.
• 살아있는 간판 조직에서 관측 가능한 조직 기하학으로부터 기계적 힘을 추론하는 데 도전하는 것.
• 특히 형태 발생 사건 동안 기계적 스트레스에 노출된 간판 조직에서 지배적인 변형 모드를 규명하는 것.
• Drosophila 간판 형태 발생에서의 실험 관측 결과를 설명할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공하는 것.
• 간판 조직에서 기계적 평형이 코어티컬 긴장에 의해 지배되며, 이는 복잡한 기계적 상호작용을 단순화할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 평면 간판 조직의 다각형 타일링 표현을 사용하여 세포 기하학을 모델링한다.
• 기계적 평형이 코어티컬 긴장에 의해 지배된다고 가정하여, 힘 평형을 긴장 기반 제약 조건으로 단순화한다.
• 세포 골격의 긴장에 의존하는 국소 재구성을 통합하여 능동적인 세포 기계학을 모델링한다.
• 정적 ATN 구성의 기하학적 제약 조건을 유도하여, 각 세포당 자유도가 하나인 다양체(manifold)를 형성함을 보여준다.
• 단축성 외부 스트레스 하에서 변형 반응을 시뮬레이션하여 기하학적 스트레스 스크리닝과 음의 푸아송 비율 행동을 밝혀낸다.
• 모델의 기하학적 및 긴장 제약 조건을 활용하여 관측된 세포 기하학으로부터 국소 코어티컬 긴장을 추론하는 방법을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 스트레스 하에서 간판 조직의 지배적인 변형 모드는 무엇이며, 세포 기하학과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 관측된 간판 세포 기하학으로부터 국소 코어티컬 긴장을 어떻게 추론할 수 있는가?
• RQ3 이소거성(각도 유지) 변형이 간판 조직의 기계적 자극에 대한 동적 반응을 얼마나 지배하는가?
• RQ4 긴장 지배적이고 능동적으로 재구성되는 간판 네트워크에서 어떤 기계적 성질이 도출되는가?
• RQ5 ATN 모델은 Drosophila 복부 주름 형성과 같은 실험 관측 결과를 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• ATN 모델의 정적 구성은 각 세포당 자유도가 하나인 다원체를 형성하며, 이는 이소거성(각도 유지) 변형에 해당한다.
• 이소거성 모드는 Drosophila 복부 주름 형성 기간 동안 실험적으로 관측된 세포 형태 변화의 약 90%를 차지한다.
• 모델은 기계적 스트레스의 기하학적 스크리닝을 나타내며, 이는 조직 내에서 힘이 거리에 따라 급격히 감쇠됨을 시사한다.
• 단축성 외부 스트레스 하에서 ATN 모델은 음의 푸아송 비율을 나타내며, 축 방향 압축에 따라 횡방향 팽창이 발생함을 보여준다.
• 모델은 세포 기하학만으로 국소 코어티컬 긴장을 추론할 수 있으며, 간판 조직에서 힘 재구성의 새로운 방법을 제공한다.
• 긴장 지배성 가정은 기하학적 일관성으로 검증되었을 때, 특정 Drosophila 간판 조직에서 기계적 행동을 정확히 묘사한다.