[논문 리뷰] Directionality of glioblastoma invasion in a 3d in vitro experiment

Andrew M. Stein, David Vader외 4명|ArXiv.org|2006. 10. 17.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 형광으로 표시된 U87mEGFR 구형체를 이용해 3D 콜라겐 젤 모델에서 간질세포 뇌종양의 침습을 조사하며, 3차원 오르누슈타인-울렌벡 과정을 통해 반경 방향으로 편향된 지속적인 랜덤 보행으로 침습 세포의 운동을 모델링한다. 주요 발견은 첫날에 20 μm/hr의 강한 초기 반경 방향 속도 편향이 관찰되었고, 이는 둘째 날에 크게 감소하여 일시적인 방향성 이동이 화학성향 작용과 콜라겐 섬유를 따라 일어나는 접촉 유도 작용에 의해 유도될 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Glioblastoma is the most malignant form of brain cancer. It is extremely invasive; the mechanisms that govern invasion are not well understood. To better understand the process of invasion, we conducted an in vitro experiment in which a 3d tumour spheroid is implanted into a collagen gel. The paths of individual invasive cells were tracked. These cells were modeled as radially biased, persistent random walkers. The radial velocity bias was found to be 20 microns/hr on day one, but decayed significantly by day two. The cause of this bias is thought to be due to chemotactic factors and contact guidance along collagen fibers.

연구 동기 및 목표

• 제어된 3차원 세포외기질 환경에서 간질세포 뇌종양의 고도로 침습적인 행동을 이끄는 메커니즘을 이해하기 위해.
• 3차원 콜라겐 젤에서 다세포 구형체에서 유래한 개별 침습 세포의 방향성 이동을 정량화하기 위해.
• 방향성 지속성과 확산을 평가하기 위해 반경 방향으로 편향된 지속적인 랜덤 보행 프레임워크를 사용해 세포 이동 동역학을 모델링하기 위해.
• 방향성 편향의 시간적 변화와 그 원인, 예를 들어 화학성향 기울기 또는 콜라겐 기질의 구조적 재편성과 같은 잠재적 요인을 조사하기 위해.
• 정량적 비교를 통한 실험 데이터와 확률적 모델링을 바탕으로 접촉 유도 작용과 화학성향 작용이 침습 세포의 이동 경로를 어떻게 유도하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 형광으로 표시된 U87mEGFR 간질세포 뇌종양 세포를 배양하여 흐르는 방식을 이용해 구형체를 형성하여 종양 덩이를 모방하였다.
• 37°C에서 중합화를 유도하여 1.5 mg/mL의 천연 콜라겐 I 유형을 이용해 3차원 세포외기질을 시뮬레이션하는 데 사용된 1.5 mg/mL의 소우성 콜라겐 젤에 구형체를 삽입하였다.
• 시간에 따른 공형 현미경 영상 촬영을 통해 매 분 간격으로 12~15시간 동안 두 날 동안 세포 이동을 기록하였으며, IDL에서 입자 추적을 통해 GFP로 표시된 세포핵을 추적하였다.
• 세포 궤적은 반경 방향 및 각도 방향 속도 성분을 모델링하기 위해 3차원 오르누슈타인-울렌벡 과정을 사용하였으며, 매개변수로는 β(지속성), V₀(편향), α(노이즈 진폭)를 사용하였다.
• 비편향된 확산 계수를 산정하기 위해 반경 방향 속도 편향을 제거하고 시간 간격 τ ∈ [0.3, 2] 시간 동안 평균 제곱 이동을 피팅하였다.
• 모델 검증을 위해 반경 방향 편향이 0인 시뮬레이션(V₀ = 0)을 수행하여 관측된 반경 방향 편향이 구형체 중심에서의 능동적 확산 때문이 아니라는 점을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 구형체에서 콜라겐 기질을 통해 침습하는 간질세포 뇌종양 세포의 방향성 편향이 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 초기 반경 방향 속도 편향(20 μm/hr)이 화학성향 작용과 콜라겐 섬유를 따라 일어나는 접촉 유도 작용 중 어느 정도 기인하는가?
• RQ3 반경 방향 편향이 있는 3차원 오르누슈타인-울렌벡 과정이 관측된 침입 세포 궤적을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ4 왜 반경 방향 속도 편향이 첫날에서 둘째 날로 갈수록 크게 감소하는가? 이 변화를 이끄는 생물학적 또는 구조적 요인은 무엇인가?
• RQ5 정량적 모델링을 통해 관측된 세포 이동 패턴이 수동 확산 또는 무작위 운동과 어떻게 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 첫날, 침입하는 간질세포 뇌종양 세포는 구형체에서 멀어지는 방향으로 20 μm/hr의 유의미한 반경 방향 속도 편향을 보였으며, 이는 방향성 이동을 시사한다.
• 이 반경 편향은 둘째 날에 크게 감소하여 일시적 또는 시간에 따라 변화하는 메커니즘에 의해 침습의 방향성이 유도된다는 것을 시사한다.
• 첫날에 관측된 실험 데이터에 대해 3차원 오르누슈타인-울렌벡 모델이 매개변수 βr = 6 /hr, V₀ = 20 μm/hr, αr = 9120 μm²/hr³로 잘 맞는 것으로 나타났다.
• 비편향된 반경 및 각도 방향 확산 계수는 첫날에 각각 Dr = 760 μm²/hr 및 Dθ = 470 μm²/hr로 추정되었으며, 노이즈가 있는 지속적인 운동을 반영한다.
• 반경 방향 편향이 0인 시뮬레이션(V₀ = 0)은 관측된 반경 방향 속도 추세를 재현하지 못하여, 이 편향이 구형체 중심에서의 수동 확산 때문이 아니라는 점을 확인하였다.
• 공형 반사 영상 분석에서 두 개의 구형체 사이에서 콜라겐 섬유가 재편성되었으며, 세포들이 정렬된 섬유를 따라 선호적으로 이동하는 것으로 나타나, 접촉 유도 작용이 기여 요소임을 뒷받침한다.