[논문 리뷰] Dynamic Image-Based Modelling of Kidney Branching Morphogenesis

Srivathsan Adivarahan, Denis Menshykau외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 01.

Renal and related cancers참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 배양된 신장에서의 2차원 시간경과 현미경 영상 데이터를 사용하여 신장 분지형성의 동적 이미지 기반 모델링 프레임워크를 개발한다. 상피세포 기하학과 이동장치를 추출하여 저자들은 터닝형 반응-확산 모델과 확산 의존 기하학적 효과를 시험하며, 특히 유도자인 GDNF가 미세세포에서 생성될 경우, 후자의 효과가 관측된 성장장과 신호 전달 패턴을 가장 잘 재현함을 발견하여, 분지 조절에 터링 메커니즘과 기하학적 제약의 조합이 기여한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Kidney branching morphogenesis has been studied extensively, but the mechanism that defines the branch points is still elusive. Here we obtained a 2D movie of kidney branching morphogenesis in culture to test different models of branching morphogenesis with physiological growth dynamics. We carried out image segmentation and calculated the displacement fields between the frames. The models were subsequently solved on the 2D domain, that was extracted from the movie. We find that Turing patterns are sensitive to the initial conditions when solved on the epithelial shapes. A previously proposed diffusion-dependent geometry effect allowed us to reproduce the growth fields reasonably well, both for an inhibitor of branching that was produced in the epithelium, and for an inducer of branching that was produced in the mesenchyme. The latter could be represented by Glial-derived neurotrophic factor (GDNF), which is expressed in the mesenchyme and induces outgrowth of ureteric branches. Considering that the Turing model represents the interaction between the GDNF and its receptor RET very well and that the model reproduces the relevant expression patterns in developing wildtype and mutant kidneys, it is well possible that a combination of the Turing mechanism and the geometry effect control branching morphogenesis.

연구 동기 및 목표

• 실시간 영상 촬영과 시뮬레이션 모델링을 통합하는 계산 기반 프레임워크를 개발하여 신장 분지형성의 메커니즘을 연구한다.
• 터링형 반응-확산 메커니즘이나 기하학적 의존 확산 효과 중 어느 것이 발달 중인 신장에서 관측된 성장 역학을 더 잘 설명하는지 테스트한다.
• 실시간 영상 촬영을 통한 배양된 신장 절편의 실험 데이터와 모델 예측을 대조하여 검증한다.
• 변형되는 생리학적으로 타당한 영역에서 신호 전달 패턴의 안정성과 강건성을 평가한다.
• 분자적 신호전달(예: GDNF-RET)과 조직 기하학이 분지 패턴을 제어하는 데 어떻게 상호작용하는지 탐색한다.

제안 방법

• 48시간 동안의 동적 분지형성 변화를 촬영하기 위해 배양된 신장 배양체에서 2차원 시간경과 현미경 영상을 사용하였다.
• MATLAB 기반의 영상 분할 및 광학 흐름 분 析를 통해 연속 프레임 간의 상피세포 영역 형태와 이동장치를 추출하였다.
• 추출된 기하학적 형태와 이동장치를 COMSOL Multiphysics에 임포트하여 변형되는 영역에서의 반응-확산 모델을 유한요소 시뮬레이션하였다.
• 비차원화된 반응-확산 방정식을 사용하여 Schnakenberg형 터링 모델을 적용하여 GDNF, RET 및 Wnt11 신호전달 역학을 시뮬레이션하였다.
• 초기 조건과 리간드 공급원 위치(상피세포 대비 미세세포)를 다양하게 설정하여 패턴의 안정성과 생물학적 타당성을 평가하였다.
• 측정된 이동장치를 사용하여 정적 프레임과 지속적으로 변형되는 영역에서의 시뮬레이션을 수행하여 강건성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡하고 동적인 신장 상피세포 기하학에서 터링형 반응-확산 메커니즘이 안정적으로 분지 패턴을 생성할 수 있는가?
• RQ2 신호 분자의 공간적 국소화(예: GDNF)가 결과적인 성장장과 분지 패턴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 곡률과 형태가 변화하는 상피세포 영역의 기하학이 신호전달 역학과 패턴 형성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 터링 메커니즘과 기하학적 의존 확산 효과의 조합이 단독으로 각각의 메커니즘보다 실험 관측 결과를 더 잘 설명하는가?
• RQ5 실제 조직 성장과 일치하는 지속적으로 변형되는 영역에서 예측된 신호전달 패턴은 얼마나 안정적인가?

주요 결과

• 노이즈가 있는 초기 조건에 민감하여, 추출된 상피세포 형태에서 터링 메커니즘은 안정성이 떨어져 강력한 패턴 형성에 대한 생물학적 타당성이 제한된다.
• 유도자(예: GDNF)가 미세세포에서 생성될 경우, 확산 의존 기하학적 효과가 관측된 성장장을 성공적으로 재현하였으며, 이는 실험 데이터와 가장 잘 일치하였다.
• 리간드가 상피세포에서 생성되고 억제제로 작용할 경우, 기하학적 효과 역시 관측된 이동장치와 합리적인 일치를 보였다.
• GDNF가 미세세포에서 유도자로 작용하는 경우(매개변수 D = 200)에 가장 잘 맞는 시뮬레이션은 정적 영역에서의 신호전달 패턴이 지속적으로 변형되는 영역에서의 패턴과 유사하게 나타나, 기하학적 변형에 대한 안정성을 시사하였다.
• 이dealized 영역에서 GDNF 및 RET 돌연변이의 알려진 표현형을 성공적으로 재현하여, 모델의 생물학적 관련성을 뒷받침하였다.
• 요추관의 이동은 GDNF/RET 신호전달만으로는 설명되지 않았으며, 추가적인 기계적 또는 신호전달 과정이 관여할 가능성이 있음을 시사하였다.