[논문 리뷰] Arrested coalescence of multicellular aggregates

David Oriola, Miquel Marín-Riera외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 02.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 점탄성 특성을 지닌 줄기세포 집합체에서 완전한 융합이 방지되는 정지 융합 현상을 규명하며, 효과적 점도, 전단 탄성율, 표면장력을 정량화하기 위해 켈빈-보이트 모델을 개발한다. 에이전트 기반 시뮬레이션은 세포 돌출 활동이 비틀림점 근처에서 고체-유체 전이를 조절하며, 기계적 거동과 집단 세포 운동 간의 연관성을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Multicellular aggregates are known to exhibit liquid-like properties. The fusion process of two cell aggregates is commonly studied as the coalescence of two viscous drops. However, tissues are complex materials and can exhibit viscoelastic behaviour. It is known that elastic effects can prevent the complete fusion of two drops, a phenomenon known as arrested coalescence. Here we report the presence of this phenomenon in stem cell aggregates and provide a theoretical framework which agrees with the experiments. In addition, agent-based simulations show that cell protrusion activity controls a solid-to-fluid phase transition, revealing that arrested coalescence can be found in the vicinity of an unjamming transition. By analysing the dynamics of the fusion process and combining it with nanoindentation measurements, we obtain the effective viscosity, shear modulus and surface tension of the aggregates. More generally, our work provides a simple, fast and inexpensive method to characterize the mechanical properties of viscoelastic materials.

연구 동기 및 목표

• 정지 융합 현상이 점탄성 물질에서 관찰되는 것과 유사하게 다세포 줄기세포 집합체에서도 발생하는지 조사한다.
• 켈빈-보이트 모델에 기반한 이론적 프레임워크를 개발하여 이러한 집합체의 융합 역학을 기술한다.
• 융합 역학과 나노인덴테이션을 이용해 효과적 기계적 성질(점도, 전단 탄성율, 표면장력)을 정량화한다.
• 에이전트 기반 시뮬레이션을 통해 세포 돌출 활동이 기계적 전이에 미치는 영향을 탐색한다.
• 생물 조직의 점탄성 성질을 특성화하기 위한 단순하고 비접촉식 방법을 수립한다.

제안 방법

• 10시간 동안 10분 간격으로 PerkinElmer Opera Phenix 시스템을 사용한 고내용도 영상 분석을 통해 3차원 다세포 집합체의 융합 역학을 촬영하였다.
• MOrgAna 기계학습 소프트웨어를 사용하여 분할 마스크에 타원형 피팅을 적용해 종단 간격과 융합 각도를 추출하였다.
• 수치적으로 해결한 scipy의 odeint 및 curve_fit를 사용한 수정된 켈빈-보이트 방정식의 해를 기반으로 비선형 최소제곱 피팅 절차를 실험 데이터에 적용하였다.
• 구형 프로브(반지름 29.5 µm)를 사용한 나노인덴테이션을 통해 효과적 탄성율을 측정하였으며, ν = 0.5를 가정하여 전단 탄성율을 유도하였다.
• CUDA C++로 구현한 에이전트 기반 시뮬레이션은 수정된 겹치는 구체 이웃 찾기 방법과 헤운의 시간 적분 기법을 사용하여 세포 돌출 활동을 모델링하였다.
• 시뮬레이션은 세포 활동과 정지 융합의 발생 간의 관계, 특히 비틀림 전이 근처에서의 기계적 거동 변화를 탐색하는 데 사용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정지 융합 현상은 합성 점탄성 물질에서 관찰되는 것과 유사하게 다세포 줄기세포 집합체에서도 발생하는가?
• RQ2 켈빈-보이트 모델은 이러한 생물학적 집합체의 점탄성 융합 역학을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ3 세포 돌출 활동은 집합체의 기계적 상태와 유체성과 고체성 간의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 집합체의 효과적 기계적 매개변수(점도, 전단 탄성율, 표면장력)는 무엇이며, 융합 동역학과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 융합 과정은 점탄성 조직의 기계적 성질을 추론하기 위한 비접촉식, 저비용 방법으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 마우스 배아 줄기세포 집합체에서 실험적으로 정지 융합 현상이 관찰되었으며, 부분 융합 후에도 안정된 비구형 형태가 유지되었다.
• 켈빈-보이트 모델을 융합 역학에 피팅함으로써 점성-표면장력 속도 $v_c = \gamma / \eta$ 와 전단 탄성-표면장력 길이 $\ell_e = \gamma / \mu$ 를 성공적으로 추출하였다.
• 나노인덴테이션 측정 결과, 평균 효과적 탄성율 $E_{\text{eff}} \approx 1.2$ kPa를 도출하였으며, $\nu = 0.5$ 를 가정하여 전단 탄성율 $\mu \approx 0.8$ kPa를 계산하였다.
• 융합 과정은 표면장력과 점탄성력 간의 균형에 의해 지배되며, 융합 정도는 재료의 탄성 반응에 따라 달라졌다.
• 에이전트 기반 시뮬레이션은 세포 돌출 활동이 유체성과 고체성 간 전이를 제어하며, 정지 융합이 비틀림 전이 근처에서 발생함을 밝혀냈다.
• 융합 기반 방법은 캘리브레이션된 프로브 없이도 조직의 기계적 성질을 측정하는 데 있어 신속하고 비접촉적이며 저비용인 대안을 제공한다.