[논문 리뷰] The morphodynamics of 3D migrating cancer cells

Christopher Eddy, Xinyao Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 27.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 3차원에서 이동하는 MDA-MB-231 암세포가 세밀한 형태 변화의 동적 패atters—즉, 형태역학(morphodynamics)을 보이며, 이는 세포외기질(ECM) 기계적 특성과 Rho 신호전달 경로에 의해 조절되며, 이는 다양한 이동 방식 간의 표현형 전환을 이끌어낸다. 기계학습을 활용해 다섯 가지 형태학적 표현형을 분류한 결과, 이러한 전환이 세포가 더 이동성이 높은 표현형을 탐색하고 고정함으로써 침습 가능성을 향상시킨다는 점을 입증하였으며, 이는 형태역학이 암세포의 이동성과 전이 능력에 대한 핵심 생물학적 지표가 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Cell shape is an important biomarker that is directly linked to cell function. However, cell morphodynamics, namely the temporal fluctuation of cell shape is much less understood. We study the morphodynamics of MDA-MB-231 cells in type I collagen extracellular matrix (ECM). We find ECM mechanics, as tuned by collagen concentration, controls the morphodynamics but not the static cell morphology. We employ machine learning to classify cell shape into five different morphological phenotypes corresponding to different migration modes. As a result, cell morphodynamics is mapped into temporal evolution of morphological phenotypes. We systematically characterize the phenotype evolutions including occurrence probability, dwell time, transition flux, and 3D migrational characteristics. We find that manipulating Rho-signaling enhances the morphodynamics and phenotype transitions. Using a tumor organoid model, we show that the distinct invasion potentials of each phenotype modulate the phenotype homeostasis. Overall invasion of a tumor organoid is facilitated by individual cells searching for and committing to phenotypes of higher invasive potential. In conclusion, we show that 3D migrating cancer cells exhibit rich morphodynamics that is regulated by ECM mechanics, Rho-signaling, and is closely related with cell motility. Our results pave the way to the systematic characterization and functional understanding of cell morphodynamics as a new biomarker for normal and malignant cells.

연구 동기 및 목표

• 세포외기질(ECM) 기계적 특성이 3차원에서 이동하는 암세포의 세포 형태 변화의 시간적 동역학(형태역학)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 기계학습을 활용해 동적 세포 형태를 다양한 형태학적 표현형으로 분류하여 각기 다른 이동 프로그램에 해당하는 표현형을 식별하는 것.
• 형태학적 표현형 전환이 종양 옹대에서 3차원 이동성과 침습 가능성에 미치는 영향을 규명하는 것.
• Rho 신호전달 경로가 3차원 환경에서 형태역학적 변동과 표현형 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 형태역학이 3차원 환경에서 암세포의 이동성과 전이 가능성에 대한 기능적 생물학적 지표로 기능할 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 다양한 콜라겐 농도(1.0–2.0 mg/mL)에서 MDA-MB-231 세포를 3차원 타입 I 콜라겐 기질에서 시간에 따라 촬영한 형광 현미경 촬영.
• 세포 분할 및 기하학적 특징 추출(면적, 둘레, 축비, 고체도, 형상 요소)을 통해 각 시간 포인트에서 세포 형태를 정량화.
• 기계학습 기반으로 세포 형태를 다섯 가지 형태학적 표현형으로 분류: 필로포디아형, 라멜로포디아형, 로보포디아형, 소형 볼빙, 반구형 볼빙.
• 표현형 동역학의 정량적 분석: 발생 확률, 체류 시간, 전이 유량, 3차원 이동 특성(지속성, 확산도).
• ROCK 억제제 Y-27632를 사용한 Rho 신호전달 경로의 약리학적 조작을 통해 형태역학적 행동에 미치는 영향 평가.
• 종양 옹대 침습 실험을 통해 산란된 세포의 표현형 구성과 침습 가능성 간의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜라겐 농도로 조절된 ECM 경도는 3차원에서 이동하는 MDA-MB-231 세포의 형태역학을 어떻게 조절하는가?
• RQ2 어느 형태학적 표현형이 서로 다른 이동 프로그램에 해당하는가? 그리고 이러한 표현형 간 전이 동역학은 3차원 이동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Rho 신호전달 경로 조절은 3차원 환경에서 형태학적 표현형의 안정성과 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표현형 전환이 3차원 종양 옹대 모델에서 암세포의 침습 가능성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 형태역학은 암세포의 이동성과 전이 행동에 대한 기능적 생물학적 지표로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 콜라겐 농도로 조절되는 ECM 기계적 특성이 형태역학을 유의미하게 조절하지만, 정적 세포 형태의 집합 분포에는 영향을 주지 않는다.
• 세포는 빠른 동적 형태 변화를 보이며 시간이 지남에 따라 여러 형태학적 표현형을 샘플링하며, 높은 콜라겐 농도에서 전이 속도가 증가한다.
• 1.5 mg/mL 콜라겐에서 필로포디아형 표현형은 가장 높은 지속성(0.77 μm/s)과 확산도(0.48 μm²/s)를 보이며, 중간 경도에서 최적의 이동성을 나타낸다.
• Y-27632를 통한 Rho 신호전달 경로 조작은 형태역학 활동을 증가시켜 표현형 간 형태 변화와 전이 속도를 높인다.
• 종양 옹대에서 산란된 세포는 주로 침습성이 높은 표현형—특히 필로포디아형과 라멜로포디아형—으로 구성되어 있어 침입 과정에서 표현형 선택이 일어남을 시사한다.
• ECM 경도에 따라 표현형 균형이 변화한다: 2.0 mg/mL 콜라겐에서는 볼빙 표현형이 지배적(60% 발생률), 1.0 mg/mL에서는 미세형 표현형이 더 안정적이며, 이는 환경 의존적 표현형 동역학을 나타낸다.