[논문 리뷰] From jamming to collective cell migration through a boundary induced transition

Oleksandr Chepizhko, Maria Chiara Lionetti외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 21.

Micro and Nano Robotics인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 유착 세포 단층에서 상전이에 의해 유도되는 불안정성 전이를 규명한다. 상처 생성 시, 고정된 상태에서의 양피질 상태에서 집단 이동 상태로 급격한 전환이 일어나며, 실험과 활성 입자 시뮬레이션을 통해 세포가 자가 추진력과 정렬 능력을 증가시켜 유한 체적 스케일링을 통해 규명된 상전이 선을 넘는다. 이 메커니즘은 간판세포, 내피세포, 암세포 모두에서 보존된다.

ABSTRACT

Cell monolayers provide an interesting example of active matter, exhibiting a phase transition from a flowing to jammed state as they age. Here we report experiments and numerical simulations illustrating how a jammed cellular layer rapidly reverts to a flowing state after a wound. Quantitative comparison between experiments and simulations shows that cells change their self-propulsion and alignement strength so that the system crosses a phase transition line, which we characterize by finite-size scaling in an active particle model. This wound-induced unjamming transition is found to occur generically in epithelial, endothelial and cancer cells.

연구 동기 및 목표

• 유착 단층에서 정지 상태에서 집단 세포 이동 상태로의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 상처 유도 불안정성 전이가 다양한 세포 유형에서 일반적인 현상인지 확인하는 것.
• 실험 및 시뮬레이션 데이터를 사용하여 정지 상태에서 유동 상태로의 상전이를 특성화하는 것.
• 불안정성 전이를 이끄는 핵심 물리적 매개변수인 자가 추진력과 정렬 강도를 규명하는 것.
• 유한 체적 스케일링을 통해 상처 유도 경계 효과와 집단 세포 역학 간의 정량적 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 다양한 배양 조건에서 HeLa, MCF-10A 및 마우스 내피세포의 유착 단층에서 상처 치유의 시간 경과 영상 촬영을 수행하였다.
• 실험 데이터에서 속도장을 추출하고 집단 운동을 정량화하기 위해 입자 영상 속도 측정(Particle Image Velocimetry, PIV)을 적용하였다.
• 조절 가능한 자가 추진력과 정렬 강도를 가진 활성 입자 모델을 사용하여 광범위한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 유한 체적 스케일링을 사용하여 정지 상태와 유동 상태 사이의 상전이 선을 특성화하였다.
• 속도 분포와 평균 속도 차이를 포함하는 비용 함수를 최소화하여 시뮬레이션 매개변수를 실험 데이터에 맞추었다.
• 실험과 시뮬레이션의 속도 분포 및 평균 속도를 비교하여 모델의 타당성을 검증하고 상처 후 매개변수 변화를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상처 후 유착 세포 단층에서 정지 상태에서 유동 상태로의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 상처 유도 불안정성 전이가 다양한 간판세포, 내피세포, 암세포 유형에서 일반적인 현상인가?
• RQ3 자기 추진력과 정렬 강도의 변화가 정지 상태에서 집단 이동 상태로의 상전이에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 활성 입자 모델에서 유도된 상도표를 통해 불안정성 전이를 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ5 상처 경계는 집단 세포 재정렬과 유동화를 유도하고 전파하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 상처가 급격한 경계 유도 불안정성 전이를 유도하여 정적이고 정지된 단층을 흐르는 집단 이동 상태로 전환시킨다.
• 세포는 상처 후 자가 추진력과 정렬 강도를 증가시켜, 유한 체적 스케일링을 통해 규명된 상전이 선을 넘는다.
• 불안정성 전이가 간판세포, 내피세포, 암세포 유전자에서 일반적으로 관찰되어 보존된 물리적 메커니즘이라는 것을 확인한다.
• 속도장 재구성이 상처 가장자리에서 시작되어 내측으로 퍼지며, 스트레스 유도 신호전달 및 플리토타크시와 일치한다.
• 실험과 시뮬레이션 간 정량적 일치는 자가 추진력과 정렬 강도의 변화가 불안정성 전이를 충분히 설명할 수 있음을 확인한다.
• 상전이는 자가 추진력과 정렬 강도의 매개변수 공간에서 임계점을 가지며, 유한 체적 스케일링을 통해 그 보편성이 확인된다.