[논문 리뷰] Simulating Organogenesis in COMSOL: Image-based Modeling

Zahra Karimaddini, Erkan Ünal외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 07.

Developmental Biology and Gene Regulation참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 영상 데이터에서 유도된 3차원 배아 기하구조를 사용하여 COMSOL Multiphysics에서 이미지 기반 모델링 방법을 제안한다. Matlab LiveLink를 통한 도메인 임포트와 Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) 방법을 통합함으로써 저자들은 강하게 변형되는 조직에서 신호 전달 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 있게 되었으며, 이는 쥐의 사지 봉우리 발달에서 입증되었다.

ABSTRACT

Mathematical Modelling has a long history in developmental biology. Advances in experimental techniques and computational algorithms now permit the development of increasingly more realistic models of organogenesis. In particular, 3D geometries of developing organs have recently become available. In this paper, we show how to use image-based data for simulations of organogenesis in COMSOL Multiphysics. As an example, we use limb bud development, a classical model system in mouse developmental biology. We discuss how embryonic geometries with several subdomains can be read into COMSOL using the Matlab LiveLink, and how these can be used to simulate models on growing embryonic domains. The ALE method is used to solve signaling models even on strongly deforming domains.

연구 동기 및 목표

• 실험 데이터에서 유도된 3차원 영상 기반 기하구조를 사용하여 기관 형성 과정을 시뮬레이션하기 위한 계산 프레임워크를 개발하는 것.
• 발달 과정 중에 크게 변형되는 배아 도메인에서 생물학적 신호 전달을 모델링하는 과제를 해결하는 것.
• 복잡하고 변화하는 기하구조에서 형태형성 인자 농도 분포와 조직 성장의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 하는 것.
• 영상 데이터, 유한요소법, 그리고 ALE의 조합이 발달 생물학 모델링에 가능성을 보여주는 것.

제안 방법

• Matlab LiveLink를 통한 3D 분할된 배아 기하구조(다중 하위영역 포함)를 COMSOL로 임포트하는 것.
• 성장하는 조직에서의 큰 변형을 처리하기 위해 Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) 방법을 사용하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 도메인에서 형태형성 인자 신호 전달을 위한 편미분방정식(PDE)을 설정하는 것.
• 유한요소 분석을 위한 구조적 계산 메esh에 실험 영상 데이터(예: 사지 봉우리)를 매핑하는 것.
• 외배엽, 중배엽 및 신호 중심과 같은 하위영역을 정의하기 위해 레벨셋 또는 영상 분할 기법을 사용하는 것.
• 쥐의 사지 발달에서 알려진 생물학적 역학과의 비교를 통해 모델 행동을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 발달 중인 기관의 3차원 영상 기반 기하구조를 어떻게 효과적으로 유한요소 시뮬레이션에 임포트하고 활용할 수 있는가?
• RQ2 ALE 방법은 기관 형성 과정에서 강하게 변형되는 배아 조직에서 신호 전달 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 도메인 성장과 형태 변화는 신호 분자의 시공간 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 영상 유도 데이터를 어떻게 체계적으로 계산 모델로 변환할 수 있는가?
• RQ5 COMSOL과 Matlab LiveLink는 어떻게 복잡하고 다중 조직으로 구성된 발달 시스템의 시뮬레이션을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• Matlab LiveLink를 통한 이미지 기반 기하구조의 COMSOL 통합은 복잡한 배아 구조를 고정밀도로 표현할 수 있게 한다.
• ALE 방법은 성장하는 조직에서 큰 변형을 효과적으로 처리하며, 시간에 따라 정확한 PDE 해를 유지한다.
• 이 프레임워크는 쥐의 사지 봉우리와 같은 생물학적으로 현실적인 변화하는 도메인에서 형태형성 인자 농도 분포를 시뮬레이션할 수 있다.
• 이 방법은 다중 구획 모델링을 지원하여 서로 다른 조직층에서 별개의 생화학 반응을 가능하게 한다.
• 공간적·시간적 해상도가 실험 영상와 일치하는 복잡한 동적 과정의 기관 형성 시뮬레이션에 대한 타당성을 입증한다.
• 이 워크플로우는 영상 데이터를 활용한 다른 발달 시스템 모델링을 위한 재현 가능하고 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.