[论文解读] A minimal model for structure, dynamics, and tension of monolayered cell colonies

Debarati Sarkar, Gerhard Gompper+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

Micro and Nano Robotics参考文献 59被引用 25

一句话总结

本文提出一种具有长程、宽势阱吸引势的最小化活性布朗粒子模型，以捕捉单层细胞群落中观察到的液-真空共存现象。该模型再现了流体样动力学、边缘的凝聚行为、由于细胞向外极化排列引起的张力应力，以及在强推进下集体簇的脱离，其中速度对齐增强了漩涡状运动和应力。

ABSTRACT

The motion of cells in tissues is an ubiquitous phenomenon. In particular, in monolayered cell colonies in vitro, pronounced collective behavior with swirl-like motion has been observed deep within a cell colony, while at the same time, the colony remains cohesive, with not a single cell escaping at the edge. Thus, the colony displays liquid-like properties inside, in coexistence with a cell-free "vacuum" outside. How can adhesion be strong enough to keep cells together, while at the same time not jam the system in a glassy state? What kind of minimal model can describe such a behavior? Which other signatures of activity arise from the internal fluidity? We propose a novel active Brownian particle model with attraction, in which the interaction potential has a broad minimum to give particles enough wiggling space to be collectively in the fluid state. We demonstrate that for moderate propulsion, this model can generate the fluid-vacuum coexistence described above. In addition, the combination of the fluid nature of the colony with cohesion leads to preferred orientation of the cell polarity, pointing outward, at the edge, which in turn gives rise to a tensile stress in the colony -- as observed experimentally for epithelial sheets. For stronger propulsion, collective detachment of cell clusters is predicted. Further addition of an alignment preference of cell polarity and velocity direction results in enhanced coordinated, swirl-like motion, increased tensile stress and cell-cluster detachment.

研究动机与目标

• 理解细胞群落如何在保持内部流体样动力学的同时，在边缘保持凝聚力，避免因强烈集体运动而发生脱离。
• 通过引入具有宽最小值的改进相互作用势，解决强黏附阻止脱离但又允许流体性的悖论。
• 解释实验中观察到的上皮层中的张力应力，该应力源于群落边界处细胞极性排列的集体作用。
• 研究在存在速度对齐和推进力增强时，集体细胞脱离发生的条件。
• 证明最小物理模型可以再现复杂生物现象，如漩涡状运动和集体细胞迁移中的机械应力。

提出的方法

• 采用具有自推进、旋转扩散和朗之万动力学的时间演化活性布朗粒子（ABP）模型。
• 引入具有扩展吸引力阱（宽度 ¯σ）的改进Lennard-Jones势，以在强黏附下保持流体性，避免固化。
• 在短程排斥与长程吸引之间引入无外力区域，以实现凝聚力与移动性的共存。
• 使用佩克莱特数（Pe）量化主动力与热力之比，控制集体运动的程度。
• 在邻近细胞之间添加速度对齐相互作用，以促进协调的漩涡状运动并增强张力应力。
• 采用带有高斯白噪声的随机模拟，处理平动与转动运动，其中 Drσ²/D = 3，以强调旋转扩散强于平动扩散。

实验结果

研究问题

• RQ1 细胞群落如何在内部保持流体样特性，同时在边缘保持凝聚力，避免细胞脱离？
• RQ2 何种最小物理模型可再现单层细胞群落中实验观察到的流体-真空共存现象？
• RQ3 流体性与凝聚力的结合如何导致群落中张力应力的产生，如上皮层中所观察到的？
• RQ4 细胞极性与速度对齐在增强集体运动和促进簇脱离中起什么作用？
• RQ5 在何种条件下，该模型中细胞簇会发生集体脱离？

主要发现

• 具有宽吸引力阱（增大 ¯σ）的改进ABP模型可实现液-真空共存，且共存区域随 ¯σ 增大而扩展。
• 在中等推进力下（Pe ≈ 15），模型表现出流体样动力学，伴有漩涡状运动和凝聚边缘，与MDCK群落的实验观察一致。
• 群落边缘处细胞向外极化排列产生张力应力，与上皮层中的实验测量结果一致。
• 更强的推进力（Pe > 20）导致细胞簇集体脱离，脱离阈值取决于吸引力强度和对齐程度。
• 速度对齐相互作用显著增强协调的漩涡状运动，并增加张力应力，速度相关函数 Cvv(r) 的负最小值表明存在长程有序。
• 该模型预测，张力应力与集体运动源于流体性、凝聚力与极性对齐的相互作用，无需依赖复杂的生化信号传导。