[论文解读] Correlated random walks of human embryonic stem cell in-vitro

Laura E. Wadkin, Sirio Orozco-Fuentes+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 40被引用 3

一句话总结

本研究利用时间延时成像技术，分析了二维培养中人胚胎干细胞（hESCs）的关联随机游走动力学，发现孤立的hESCs在约50分钟的时间尺度内表现出与其伸长轴对齐的持续性、局部各向异性的运动。当细胞间距离较近（<70 μm）时，细胞会同步方向性运动，相关长度约为25 μm，表明物理性伪足连接驱动了协调迁移，该发现为克隆集落形成的代理模型提供了依据。

ABSTRACT

We perform a detailed analysis of the migratory motion of human embryonic stem cells in two-dimensions, both when isolated and in close proximity to another cell, recorded with time-lapse microscopic imaging. We show that isolated cells tend to perform an unusual locally anisotropic walk, moving backwards and forwards along a preferred local direction correlated over a timescale of around 50 minutes and aligned with the axis of the cell elongation. Increasing elongation of the cell shape is associated with increased instantaneous migration speed. We also show that two cells in close proximity tend to move in the same direction, with the average separation of 70 um or less and the correlation length of around 25 um, a typical cell diameter. These results can be used as a basis for the mathematical modelling of the formation of clonal hESC colonies.

研究动机与目标

• 表征单个和成对hESCs在二维培养中的迁移运动学特征。
• 确定细胞形态和间距如何影响迁移持续性与协调性。
• 量化邻近hESCs之间的方向相关性，并确定协调运动的最佳分离距离。
• 为无饲养层系统中hESC克隆扩增的代理建模提供实证数据。
• 探讨细胞间相互作用在早期集落形成与存活中的作用。

提出的方法

• 采用时间延时显微镜对hESCs在二维培养中连续7小时以上的个体及成对细胞进行追踪。
• 利用相关函数分析细胞轨迹，量化方向持续性与细胞间协调性。
• 通过在每个时间步将速度矢量投影到细胞间矢量上，计算配对相关函数C(r)。
• 采用归一化相关度量|C(r)|评估平均协调强度，并与未相关联的积分随机游走（IRW）进行比较。
• 量化细胞形态与伸长程度，以关联形态与瞬时迁移速度。
• 对50对细胞的速度角（θ）、相关性（C(r)）及绝对相关性（|C(r)|）进行统计分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 孤立的hESCs在二维培养中如何表现关联随机游走？其方向持续性的时标是多少？
• RQ2 hESCs协调迁移的最佳分离距离是多少？其与细胞间距离的关系如何？
• RQ3 邻近hESCs之间方向运动的相关长度是多少？哪些形态学特征会影响该长度？
• RQ4 细胞间的伪足连接如何影响其集体迁移行为？
• RQ5 细胞形态伸长程度与孤立hESCs迁移速度的增加在多大程度上相关？

主要发现

• 孤立的hESCs表现出局部各向异性的关联随机游走，方向持续性约50分钟，其运动方向与细胞伸长轴对齐。
• 细胞伸长程度越高，与瞬时迁移速度的显著相关性越强。
• 在近距离（<70 μm）时，hESCs表现出强烈的运动方向协调性，相关长度约为25 μm，与典型细胞直径相当。
• 最大协调性的平均间距约为70 μm，超过该距离后即使存在物理连接，运动也趋于不相关。
• 在分离距离小于70 μm时，细胞常通过伪足物理连接，这可能促进了运动的同步。
• 成对细胞的绝对相关性|C(r)|与未相关联的积分随机游走（2/π）一致，表明无净方向偏倚，但存在显著的局部协调性。