[논문 리뷰] The self-organised, non-equilibrium dynamics of spontaneous cancerous buds

Abramo Agosti, Stefano Marchesi외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 20.

Mathematical Biology Tumor Growth참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 간질세포종 단층배양에서 자발적으로 발생하는 암성 봉우리가 세포-세포 및 세포-기질 부착부에서 유도되는 기계적 힘에 의해 비평형 역학을 통해 자가조직화됨을 밝혀냈다. 체외 실험과 기울기 역학을 포함한 단계장 모델을 통해 저자들은 포화에 이르기 전에 거듭제곱 법칙 영역을 따르는 군집 성장과 시간-공간 패턴이 일반 통계 법칙에 따라 진화하는 것을 입증하였으며, 이는 종양 침습에 핵심적인 기계-화학 피드백을 강조한다.

ABSTRACT

Tissue self-organization into defined and well-controlled three-dimensional structures is essential during development for the generation of organs. A similar, but highly deranged process might also occur during the aberrant growth of cancers, which frequently display a loss of the orderly structures of the tissue of origin, but retain a multicellular organization in the form of spheroids, strands, and buds. The latter structures are often seen when tumors masses switch to an invasive behavior into surrounding tissues. However, the general physical principles governing the self-organized architectures of tumor cell populations remain by and large unclear. In this work, we perform in-vitro experiments to characterize the growth properties of glioblastoma budding emerging from monolayers. Using a theoretical model and numerical tools here we find that such a topological transition is a self-organised, non-equilibrium phenomenon driven by the trade--off of mechanical forces and physical interactions exerted at cell-cell and cell-substrate adhesions. Notably, the unstable disorder states of uncontrolled cellular proliferation macroscopically emerge as complex spatio--temporal patterns that evolve statistically correlated by a universal law.

연구 동기 및 목표

• glioblastoma 단층배양에서 자가조직화되고 비평형적인 암성 봉우리 형성의 물리적 원리를 이해하기 위해.
• 세포-세포 및 세포-기질 인터페이스에서의 기계적 힘과 부착 상호작용이 침습적 표현형으로의 위상 전이를 어떻게 이끌어내는지 조사하기 위해.
• 종양 군집의 시공간적 진화를 특성화하고 그 성장 역학에서 일반적인 스케일링 법칙을 식별하기 위해.
• 비제어적 증식에서 복잡하고 통계적으로 상관관계가 있는 패턴의 기원을 포괄하는 이론적 및 수치적 모델을 개발하기 위해.
• 체외에서 관찰된 봉우리 형성과 예측 가능한 단계장 모델 간의 다리를 놓기 위해, 화학-기계 피드백을 포함한 모델을 구축하기 위해.

제안 방법

• 37°C 및 5% CO₂ 조건에서 2D 단층배양으로 U-87 MG 간질세포종을 사용한 체외 실험을 수행하였으며, 초기 밀도는 43,100 cells/cm²였다.
• 30일 동안 밝은 영역 현미경을 사용하여 군집 형성과 성장을 추적하였으며, Fiji 및 MorphoLibJ를 통한 형태 분석을 통해 면적, 둘레 및 특성 길이를 정량화하였다.
• 자유 에너지 함수의 기울기 안정성을 보장하기 위해 자유 에너지 기능의 볼록 분할을 사용한 Cahn–Hilliard 유형 방정식에 의해 지배되는 단계장 모델을 개발하였다.
• 세포 밀도 장의 양성 및 고밀도 지원을 강제하기 위해 변분 부등식을 통합하였으며, 활성 노드에 대해 영공간 방법을 적용하였다.
• 이동 경계를 갖는 고밀도 지원 해와 고정된 지원 해를 구분하기 위해 뭉치된 L² 스칼라 곱을 사용하였다.
• 시간 암시적, 반암시적 스킴을 사용하여 시스템을 시뮬레이션하였으며, 시뮬레이션과 실험적 L(t) 프로파일 간의 L² 오차를 최소화하기 위해 그리드 서치를 통한 매개변수 조정을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비평형 조건에서 glioblastoma 단층배양에서 다세포 봉우리가 자발적으로 발생하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 세포-세포 및 세포-기질 부착부에서의 기계적 힘이 단층구조에서 봉우리 형태로의 위상 전이를 어떻게 규제하는가?
• RQ3 비제어적 증식에도 불구하고 성장하는 종양 군집의 시공간 패턴이 일반 통계 법칙을 따르는가?
• RQ4 화학-기계 피드백을 포함한 단계장 모델이 실험적으로 관찰된 거듭제곱 법칙 성장과 포화를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 세포 밀도, 부착력 및 기질의 강성 간의 상호작용이 암성 봉우리의 형태적 진화를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 종양 군집은 이단계 성장 영역를 보였는데, 15일차에 성장 후 감소를 보이다가 18일차부터 30일차까지 포화에 이르기 전까지 지속적인 거듭제곱 법칙 성장 단계를 보였다.
• 군집의 특성 길이 척도가 시간에 따라 거듭제곱 법칙으로 진화하여 성장 단계에서 자가유사적이고 척도 불변적인 역학을 나타내었다.
• 구조 인자 분석을 통해 시스템이 통계적으로 상관관계 있는 패턴으로 진화하며, 비평형 상전이와 일치하는 일반적인 스케일링 행동을 보였다.
• 매개변수 β 및 Πd의 조정을 통해 모델이 실험적 군집 성장 프로파일을 성공적으로 재현하였으며, 최적 값은 표 1에 기재되어 있다.
• 볼록 분할과 변분 부등식을 적용한 단계장 모델은 수치적 안정성과 물리적 일관성을 확보하였으며, 이동 경계를 갖는 고밀도 지원 해를 정확히 포착하였다.
• 공진단 현미경으로 확인한 결과 봉우리의 형상은 평탄한 3차원 형태를 띠며 최대 두께 약 ~50 µm를 보였으며, 이는 모델에서의 2차원 근사가 타당함을 검증하였다.