[논문 리뷰] Correlated random walks of human embryonic stem cell in-vitro

Laura E. Wadkin, Sirio Orozco-Fuentes외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 27.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 40인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 시간-경과 영상 촬영을 이용해 2차원 배양에서 인간 배아 간세포(hESCs)의 상관 랜덤 워크 역학을 분석하여, 고립된 hESCs가 약 50분의 시간스케일 동안 세포의 기울어진 축에 따라 지속적이고 국소적으로 이방성인 운동을 보임을 밝혀냈다. 밀도가 높은 경우(70 μm 이내) 세포들은 약 25 μm의 상관 길이를 가지며 방향성을 공유하며 동기화되며, 이는 물리적 성분인 가짜피로프로브 연결이 조율된 이동을 이끄는 것으로 나타났다. 이는 클론성 혈액 공포 형성의 에이전트 기반 모델링에 기여한다.

ABSTRACT

We perform a detailed analysis of the migratory motion of human embryonic stem cells in two-dimensions, both when isolated and in close proximity to another cell, recorded with time-lapse microscopic imaging. We show that isolated cells tend to perform an unusual locally anisotropic walk, moving backwards and forwards along a preferred local direction correlated over a timescale of around 50 minutes and aligned with the axis of the cell elongation. Increasing elongation of the cell shape is associated with increased instantaneous migration speed. We also show that two cells in close proximity tend to move in the same direction, with the average separation of 70 um or less and the correlation length of around 25 um, a typical cell diameter. These results can be used as a basis for the mathematical modelling of the formation of clonal hESC colonies.

연구 동기 및 목표

• 고립 및 쌍으로 존재하는 hESCs의 2차원 배양에서의 이동 동역학을 규명하는 것.
• 세포 형태와 상호근접도가 이동 지속성과 조율에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 근접한 hESCs 간의 방향성 상관관계를 정량화하고, 조율된 운동에 최적의 간격을 특정하는 것.
• 피더 프리 시스템에서 hESC 클론 확장을 위한 에이전트 기반 모델링에 실증적 자료를 제공하는 것.
• 세포 간 상호작용이 초기 혈액 공포 형성과 생존에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 7시간 이상 동안 2차원 배양에서 개별 및 쌍으로 존재하는 hESCs를 추적하기 위해 시간-경과 현미경 영상 촬영을 수행하였다.
• 방향성 지속성과 세포 간 조율 정도를 정량화하기 위해 궤적을 상관 함수 분석하였다.
• 각 시간 단계에서 두 세포 간 거리 벡터에 따라 속도 벡터를 투영하여 쌍 상관 함수 C(r)를 계산하였다.
• 평균 조율 강도를 평가하기 위해 정규화된 상관 측정치 |C(r)|를 사용하였으며, 비상관 통합 랜덤 워크(IRW)와 비교하였다.
• 이동 속도와의 관련성을 분석하기 위해 세포 형태와 기울어진 정도를 정량화하였다.
• 50개의 세포 쌍에 대해 속도 각도(θ), 상관 함수(C(r)), 절대 상관 함수(|C(r)|)의 통계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 hESCs는 2차원 배양에서 어떻게 상관 랜덤 워크를 수행하며, 방향성 지속의 시간스케일은 무엇인가?
• RQ2 조율된 이동에 최적의 간격은 얼마이며, 이는 세포 간 상호근접도와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 근접한 hESCs 간의 방향성 운동 상관 길이는 얼마이며, 어떤 형태적 특징이 이를 영향을 미치는가?
• RQ4 세포 간의 가짜피로프로브 연결은 집단적 이동 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고립된 hESCs에서 세포 기울어짐 정도가 이동 속도 증가와 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• 고립된 hESCs는 약 50분 동안 세포 기울어진 축에 따라 방향성 지속성이 있는 국소적으로 이방성인 상관 랜덤 워크를 수행한다.
• 세포 기울어짐 정도가 증가할수록 순간 이동 속도와 유의미한 상관관계를 보인다.
• 근접한 hESCs(70 μm 이내)는 강한 방향성 조율를 보이며, 상관 길이 약 25 μm로, 일반적인 세포 지름과 일치한다.
• 최대 조율 정도를 보이는 평균 간격은 약 70 μm이며, 이를 초월하면 물리적 연결이 존재하더라도 운동이 비상관이 된다.
• 70 μm 이내의 간격에서 세포들은 종종 가짜피로프로브로 물리적으로 연결되어 있으며, 이는 동기화된 이동을 촉진할 가능성이 있다.
• 쌍으로 존재하는 세포의 절대 상관 함수 |C(r)|는 비상관 통합 랜덤 워크(2/π)와 일치하여 순방향성 편향이 없음을 나타내지만, 국소적인 조율은 뚜렷하게 관찰된다.