[논문 리뷰] Topological defect launches 3D mound in the active nematic sheet of neural progenitors

Kyogo Kawaguchi, Ryoichiro Kageyama외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 20.

Micro and Nano Robotics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2D 활성 네마틱 필름에서 신경성숙세포(NPC)의 +1/2 토폴로지 결함이 이방성 마찰과 활성 힘에 의해 지역적 세포 축적을 유도함으로써 3D 산성의 형성을 유발함을 밝혀냈다. 이 메커니즘은 활성 네마틱 시스템에서 토폴로지 결함가 세포 밀도 제어의 핵심으로 작용하는 것을 설명하며, 실시간 영상 촬영과 단일 세포 추적을 통한 실험적 검증을 통해 속도 반전과 단계 의존성 역학이 관찰되었다.

ABSTRACT

Cultured stem cells have become a standard platform not only for regenerative medicine and developmental biology but also for biophysical studies. Yet, the characterization of cultured stem cells at the level of morphology and macroscopic patterns resulting from cell-to-cell interactions remain largely qualitative, even though they are the simplest features observed in everyday experiments. Here we report that neural progenitor cells (NPCs), which are multipotent stem cells that give rise to cells in the central nervous system, rapidly glide and stochastically reverse its velocity while locally aligning with neighboring cells, thus showing features of an active nematic system. Within the two-dimensional nematic pattern, we find interspaced topological defects with +1/2 and -1/2 charges. Remarkably, we identified rapid cell accumulation leading to three-dimensional mounds at the +1/2 topological defects. Single-cell level imaging around the defects allowed quantification of the evolving cell density, clarifying that not only cells concentrate at +1/2 defects, but also escape from -1/2 defects. We propose the mechanism of instability around the defects as the interplay between the anisotropic friction and the active force field, thus addressing a novel universal mechanism for local cell density control.

연구 동기 및 목표

• 신경성숙세포(NPC) 배양에서 집단적 세포 운동과 정렬이 거시적 패턴을 어떻게 유도하는지 이해하기 위해.
• 2D 활성 네마틱 시스템에서 토폴로지 결함이 3D 형태 발생을 어떻게 조직화하는지 조사하기 위해.
• 속도 전환과 네마틱 질서를 포함한 세포 역학을 정량화하고 세포 주기 단계와 연결하기 위해.
• +1/2 결함에서의 국소적 세포 축적과 -1/2 결함에서의 탈출 메커니즘을 규명하기 위해.
• 활성 네마틱 거동과 줄기세포 배양에서 나타나는 탄생 3D 구조 간의 물리적 모델 수립하기 위해.

제안 방법

• H2B-mCherry를 발현하는 NPC의 실시간 넓은 시야 영상 촬영을 통해 단일 세포 궤적을 추적하고 운동 역학을 정량화하기 위해.
• Fucci 세포 주기 레포터를 사용하여 속도 반전과 G1/G2 단계 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• 네마틱 질서 파라미터와 자기상관 함수 계산을 통해 정렬과 기억 없는 운동을 분석하기 위해.
• 결함이 없는 영역에서 세포 밀도와 정렬 변동성 간의 공간 상관관계 분석을 통해 확장성 활성 네마틱 행동를 식별하기 위해.
• 결함 주변의 네마틱 질서 프로파일을 반사 대칭 모델에 맞춰서 피팅하여 결함 코어의 구조를 추출하기 위해.
• 실험적 피팅으로 유도된 매개변수를 사용하여 결함 주변의 밀도 변화를 시뮬레이션하여 이론적 예측의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NPC의 2D 활성 네마틱 필름에서의 토폴로지 결함이 3D 형태 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 +1/2 결함에서 세포 축적과 -1/2 결함에서의 밀도 감소를 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 NPC에서 세포 속도 반전과 네마틱 질서는 세포 주기 단계와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 NPC 배양에서 활성 네마틱 상관관계와 거대한 수의 변동성이 어느 정도 나타나는가?
• RQ5 관측된 산성 형성은 이방성 마찰과 활성 힘장 간의 상호작용으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 고밀도 배양에서 NPC는 약 ~3시간의 시간스케일로 빠른 네마틱 유사 운동을 보이며 속도 반전이 발생한다.
• +1/2 토폴로지 결함는 3D 산성의 핵심이 되는 데, 세포 밀도가 이론적 예측과 일치하는 속도로 반경 방향으로 증가한다.
• 단일 세포 추적과 밀도 프로파일 피팅을 통해 세포가 +1/2 결함에 축적되고 -1/2 결함에서 탈출하는 것이 정량적으로 확인되었다.
• 네마틱 자기상관 함수는 느리게 감쇠하여 180° 재정렬이 우세함을 나타내며, 활성 네마틱 역학과 일치한다.
• 밀도와 정렬 변동성 간의 공간 상관관계는 제1 및 제3사분면에서 양의 값을 보이며, 시스템이 확장성 활성 네마틱임을 확인한다.
• 실험적으로 유도된 매개변수를 사용한 시뮬레이션은 관측된 산성 성장을 재현하며, 이방성 마찰과 활성 힘에 의해 유도되는 불안정성 메커니즘을 지지한다.