[论文解读] Arrested coalescence of multicellular aggregates

David Oriola, Miquel Marín-Riera+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Cellular Mechanics and Interactions被引用 4

一句话总结

本研究在干细胞聚集体中观察到受阻聚结现象，其黏弹性特性阻止了完全融合，并建立了Kelvin-Voigt模型以量化有效黏度、剪切模量和表面张力。基于代理的模拟表明，细胞伪足活动在未塞止点附近调控了固态到液态的转变，将机械行为与群体细胞动力学联系起来。

ABSTRACT

Multicellular aggregates are known to exhibit liquid-like properties. The fusion process of two cell aggregates is commonly studied as the coalescence of two viscous drops. However, tissues are complex materials and can exhibit viscoelastic behaviour. It is known that elastic effects can prevent the complete fusion of two drops, a phenomenon known as arrested coalescence. Here we report the presence of this phenomenon in stem cell aggregates and provide a theoretical framework which agrees with the experiments. In addition, agent-based simulations show that cell protrusion activity controls a solid-to-fluid phase transition, revealing that arrested coalescence can be found in the vicinity of an unjamming transition. By analysing the dynamics of the fusion process and combining it with nanoindentation measurements, we obtain the effective viscosity, shear modulus and surface tension of the aggregates. More generally, our work provides a simple, fast and inexpensive method to characterize the mechanical properties of viscoelastic materials.

研究动机与目标

• 研究受阻聚结——一种在黏弹性材料中观察到的现象——是否存在于多细胞干细胞聚集体中。
• 基于Kelvin-Voigt模型建立理论框架，以描述这些聚集体的融合动力学。
• 利用融合动力学和纳米压痕技术量化有效机械性能（黏度、剪切模量、表面张力）。
• 通过基于代理的模拟探索细胞伪足活动在调控机械转变中的作用，特别是在未塞止转变附近。
• 建立一种简单、非接触式的生物组织黏弹性特性表征方法。

提出的方法

• 使用PerkinElmer Opera Phenix系统进行高内涵成像，以10分钟为间隔，在10小时内连续拍摄3D多细胞聚集体的融合动力学。
• 通过MOrgAna机器学习软件对分割掩膜进行椭圆拟合，提取端到端距离和融合角度。
• 采用非线性最小二乘拟合方法，基于数值求解的改进Kelvin-Voigt方程解（使用scipy的odeint和curve_fit）对实验数据进行拟合。
• 采用半径为29.5 µm的球形探针进行纳米压痕，测量有效弹性模量，并假设泊松比ν = 0.5，由此推导出剪切模量。
• 在CUDA C++中进行基于代理的模拟，采用改进的重叠球体邻近检测方法和Heun时间积分格式，模拟细胞伪足活动。
• 利用模拟研究细胞活动与受阻聚结在未塞止转变附近出现之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 受阻聚结是否在多细胞干细胞聚集体中出现，类似于在合成黏弹性材料中观察到的现象？
• RQ2 Kelvin-Voigt模型能否准确描述这些生物聚集体的黏弹性融合动力学？
• RQ3 细胞伪足活动如何影响聚集体中流体行为与固态行为之间的机械状态及转变？
• RQ4 聚集体的有效机械参数（黏度、剪切模量、表面张力）是什么，它们与融合动力学有何关联？
• RQ5 融合过程能否作为一种非接触、低成本的方法，用于推断黏弹性组织的机械性能？

主要发现

• 在小鼠胚胎干细胞聚集体中实验观察到受阻聚结，部分融合后仍保持非球形稳定形态。
• 通过将Kelvin-Voigt模型拟合到融合动力学，成功提取了毛细管速度 $v_c = \gamma / \eta$ 和剪切弹性毛细管长度 $\ell_e = \gamma / \mu$。
• 纳米压痕测量得到平均有效弹性模量 $E_{\text{eff}} \approx 1.2$ kPa，假设 $\nu = 0.5$ 时推导出剪切模量 $\mu \approx 0.8$ kPa。
• 融合过程受毛细力与黏弹性力之间的平衡主导，聚结程度取决于材料的弹性响应。
• 基于代理的模拟表明，细胞伪足活动控制着流体行为与固态行为之间的转变，受阻聚结在未塞止转变附近出现。
• 基于融合的方法提供了一种快速、非接触且低成本的替代方案，用于测量组织机械性能，无需使用标定探针。