[논문 리뷰] Epithelial Tissue Growth Dynamics: Universal or Not?

Mahmood Mazarei, Jan Åström외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 29.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 변형 가능한 세포를 위한 운동학적 분할 모델을 사용하여 상피 조직 성장 역학이 항상 하나의 보편성 클래스에 의해 지배되지는 않음을 보여준다. 세포 간 상호작용의 강도를 변화시킴으로써 모델은 약한 점착성에서 MBE 유사 스케일링과 강한 점착성에서 KPZ 유사 스케일링을 재현하며, 세포 상호작용의 기계적 및 점착적 조절을 통해 오랫동안 지속된 표면 거칠기의 보편성 논란을 해결한다.

ABSTRACT

Universality of interfacial roughness in growing epithelial tissue has remained a controversial issue. Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) and Molecular Beam Epitaxy (MBE) universality classes have been reported among other behaviors including total lack of universality. Here, we utilize a kinetic division model for deformable cells to investigate cell-colony scaling. With seemingly minor model changes, it can reproduce both KPZ- and MBE-like scaling in configurations that mimic the respective experiments. This result neutralizes the apparent scaling controversy. It can be speculated that this diversity in growth behavior is beneficial for efficient evolution and versatile growth dynamics.

연구 동기 및 목표

• 상피 조직 성장이 KPZ나 MBE와 같은 보편적 스케일링 법칙을 따르는지에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 기계적 및 점착적 성질이 성장하는 집단에서 표면 거칠기와 스케일링 행동에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 실험에서 관찰된 스케일링 지수의 차이가 본질적인 보편성 때문인지 모델 특유의 매개변수 때문인지 규명하기 위해.
• 다양한 성장 역학이 세포 점착성과 기계적 상호작용의 미세한 변화에서 기인한다는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 세포 간 점착력 강도를 가진 변형 가능한 세포를 위한 운동학적 분할 모델이 원형 및 선형 집단 성장을 시뮬레이션한다.
• 모델은 세포 분열, 기계적 힘, 마찰을 포함하여 생물학적 미세환경을 모방한다.
• 가족-빅세크 스케일링 관계를 적용하여 인터페이스 폭과 구조 인자에서 임계 지수 β, α, z를 추출한다.
• 브루 등(2020)의 실험 데이터(MBE 유사)와 투에르고 등(2021)의 실험 데이터(KPZ 유사)와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.
• 점착력 강도, 세포 경도, 마찰, 분열 규칙을 체계적으로 변화시켜 스케일링 행동의 강건성을 시험한다.
• 모형의 형태학적 및 운동학적 일관성을 평가하기 위해 집단 전면의 프랙탈 차원과 속도를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 세포 기반 모델이 상피 조직 성장에서 MBE 유사 및 KPZ 유사 스케일링을 모두 재현할 수 있는가?
• RQ2 성장 집단이 MBE 또는 KPZ 스케일링을 나타내는 데 결정적인 역할을 하는 기계적 또는 점착성 매개변수들은 무엇인가?
• RQ3 실험 보고서에서 KPZ와 MBE 보편성 간의 명백한 갈등은 모델 차이 때문이냐 생물학적 변동성 때문이냐?
• RQ4 세포 간 점착력 강도의 변화가 원형 및 선형 성장 구조에서 스케일링 지수 β, α, z에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 세포-매체 마찰, 세포막 간 마찰, 세포 유형 이질성의 변화에 대해 스케일링 행동이 어느 정도 강건한가?

주요 결과

• 약한 세포 간 점착성 조건에서는 전역 거칠기 지수 α_glob = 0.95 ± 0.04 및 성장 지수 β_weak = 0.40 ± 0.04를 보이는 MBE 유사 스케일링을 나타낸다.
• 강한 점착성 조건에서는 국소 거칠기 지수 α_loc = 0.70 ± 0.01 및 β_strong = 0.42 ± 0.06를 보이는 KPZ 유사 스케일링을 나타낸다.
• 인터페이스의 프랙탈 차원은 모든 조건에서 안정적(1.13–1.26)이며, 실험 관측과 일치한다.
• 집단 전면 속도는 일정하게 유지된다(약한 점착성일 경우 v ≈ 4.24, 강한 점착성일 경우 v ≈ 2.15)로, 실험에서 관측된 일정한 속도 성장과 일치한다.
• 세포-매체 마찰, 세포막 간 마찰, 분열 규칙, 세포 경도 다양성의 변화에 대해 스케일링 행동이 강건함을 확인하였다.
• 브루 등 및 투에르고 등의 디지타이징된 실험 데이터는 시뮬레이션된 스케일링 콜라프와 양호한 일치를 보이며, 모델의 예측 능력을 검증한다.