[논문 리뷰] Adhesion and volume constraints via nonlocal interactions lead to cell sorting

José A. Carrillo, Annachiara Colombi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 27.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 세포 부착력과 부피 제약 조건에 의해 유도되는 세포 정렬을 시뮬레이션하기 위해 H-안정 상호작용 포텐셜을 사용하는 비국소 입자 기반 모델을 제안한다. 점착성 및 반발성 상호작용 파라미터를 조절함으로써 모델은 혼합, 분리, 삽입과 같은 주요 생물학적 행동을 재현하며, H-안정성 덕분에 세포 집합체 내에서 유한한 세포 간 거리와 안정된 결정 구조를 보장함을 보여준다.

ABSTRACT

We demonstrate how concepts of statistical mechanics of interacting particles can have important implications in the choice of interaction potentials to model qualitative properties of cell aggregates in theoretical biology. We illustrate this by showing cell sorting phenomena for cell groups with different adhesiveness parameters: ranging from well-mixed cells aggregates to full segregation of cell type passing through engulfment via adhesiveness tuning.

연구 동기 및 목표

• 비국소 상호작용을 사용하여 이질적 세포 집합에서의 세포 정렬 현상을 수학적으로 기반으로 하는 프레임워크를 개발한다.
• H-안정성을 보장하는 상호작용 포텐셜 파라미터를 규명하여 세포 집합체의 비물리적 붕괴 또는 팽창을 방지한다.
• 통계역학 개념(즉, H-안정성)과 이론 생물학에서의 현실적인 세포 집합체 형태의 기원 간의 연결 고리를 설정한다.
• 관측된 실험적 세포 패턴을 재현하는 데 필요한 상호작용 포텐셜을 식별하는 역문제를 해결하기 위한 기초를 제공한다.
• 차별적 부착력만으로도 외부 자극 없이도 복잡한 세포 정렬 행동을 유도할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 질량과 위치 벡터가 집중된 이산 입자로 세포를 2차원 평면에 모델링하고, 과다된 운동 방정식에 따라 진화시킨다.
• 비국소 쌍방향 힘의 초위상으로 정의된 다중 파라미터 상호작용 커널을 기반으로 세포 속도를 정의한다. 이 힘은 반발성 및 흡인성 성분을 포함한다.
• 구형 흡인 포텐셜과 기울기가 가변적인 반발 항을 사용하여 점착성과 눌림 저항을 모델링한다.
• 통계역학에서의 H-안정 조건을 적용하여, 유한하고 유한한 세포 간 거리 유지와 대규모 시스템에서의 붕괴 방지를 보장한다.
• 수치 시뮬레이션을 수행하여 다양한 점착성과 세포 수 조건에서의 장기적 공간적 구성 상태를 탐색하고 특성화한다.
• 거시적 모델로의 전환을 안내하기 위해 군집화 고려 사항을 적용하며, 이러한 근사치에 대해서는 H-안정성이 없는 포텐셜을 선호한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험적으로 관찰된 세포 정렬 행동(혼합, 분리, 삽입 등)을 재현하기 위해 비국소 상호작용 포텐셜을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 상호작용 포텐셜의 H-안정성이 세포 간 유한한 거리 유지와 안정된 집합체 구성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 점착성과 반발성의 어떤 파라미터 영역이 세포 집합체의 다양한 형태적 결과를 초래하는가?
• RQ4 관측된 실험적 세포 패턴을 재현하는 데 필요한 상호작용 포텐셜을 식별하는 역문제를 체계적으로 접근할 수 있는가?
• RQ5 상호작용 커널의 성질이 이산 입자 역학에서 연속적인 거시적 모델로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• H-안정 상호작용 포텐셜은 세포 집합체가 비물리적 붕괴나 무한 팽창을 피하면서도 생물학적으로 현실적인 유한한 세포 간 거리를 유지함을 보장한다.
• 동종 세포 간 점착력이 异종 세포 간 점착력보다 높을 경우, 모델은 세포 유형 간 완전한 분리를 생성하며, 이는 실험 관찰과 일치한다.
• 중간 정도의 점착력 강도에서는 부분적인 삽입이 관찰되며, 이는 한 세포 유형이 다른 세포 유형을 둘러싸는 것으로, 발달 정렬의 상징적 특징이다.
• 이종 점착력이 동종 점착력보다 강할 경우, 시스템은 잘 섞인 집합체를 형성하며, 이는 차별적 부착 이론의 예측을 반영한다.
• 모델은 사전에 파라미터 공간을 제한함으로써 생물학적 적용에서 광범위한 수치 캘리브레이션의 필요성을 줄일 수 있다.
• 이 프레임워크는 최적화를 통해 특정 실험적 군집 형태를 재현하는 데 필요한 상호작용 포텐셜을 식별하는 데로 이어지는 길을 제공한다.