[论文解读] Does nematic order allow groups of elongated cells to sense electric fields better?

Kurmanbek Kaiyrbekov, Brian A. Camley|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2024

Liquid Crystal Research Advancements被引用 4

一句话总结

本研究探讨了向列序（即长形细胞的长轴与邻近细胞对齐）是否能增强集体电场感应能力。通过构建一个最小化的二维自驱动细胞模型，该模型考虑了方向依赖的感应精度，研究发现当细胞在垂直于电场方向时感应精度更高时，向列序显著提升了群体的方向性。关键发现是：仅当感应精度强烈依赖于细胞取向时，向列序才能放大方向响应。

ABSTRACT

Collective response to external directional cues like electric fields plays a pivotal role in processes such as tissue development, regeneration, and wound healing. In this study we focus on the impact of anisotropy in cell shape and local cell alignment on the collective response to electric fields. We model elongated cells that have a different accuracy sensing the field depending on their orientation with respect to the field. Elongated cells often line up with their long axes in the same direction - "nematic order" - does this help the group of cells sense the field more accurately? We use simulations of a simple model to show that if cells orient themselves perpendicular to their average velocity, alignment of a cell's long axis to its nearest neighbors' orientation can enhance the directional response to electric fields. However, for cells to benefit from aligning, their accuracy of sensing must be strongly dependent on cell orientation. We also show that cell-cell adhesion modulates the accuracy of cells in the group.

研究动机与目标

• 探究长形细胞之间的向列序是否能改善其对电场的集体感应能力。
• 确定细胞对齐在何种条件下能增强对电场的定向响应精度。
• 考察细胞间黏附力与速度正交对齐在调控集体电场导向运动中的作用。
• 解决实验研究中关于细胞间黏附力是否为集体电场响应所必需的矛盾结果。

提出的方法

• 采用二维自驱动粒子模型模拟具有明确长轴取向φ和极性方向ζ的长形细胞。
• 细胞以方向依赖的精度κ(φ)估计电场方向，其中垂直于电场方向（φ = 90°）时精度最高。
• 通过具有固定平衡长度的各向同性弹簧模拟细胞间相互作用，邻居列表根据距离阈值动态更新。
• 细胞通过向列相互作用使其长轴与邻近细胞对齐，并通过速度正交对齐使其极性方向垂直于平均速度方向。
• 使用Euler-Maruyama方法进行数值积分，通过旋转噪声更新取向，极性每τforget = 10分钟更新一次。
• 模拟每轮使用64个细胞，每个参数组合运行40次独立模拟，初始位置和取向随机设置，参数经校准以匹配实验观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 长形细胞之间是否存在向列序，能提升其对施加电场方向的集体感应能力吗？
• RQ2 在何种条件下，方向依赖的感应精度能增强群体在电场导向运动中的方向性？
• RQ3 细胞间黏附力与速度正交对齐如何影响集体电场感应的准确性？
• RQ4 为何实验研究对细胞间黏附力在集体电场导向运动中作用的必要性存在相互矛盾的报告？

主要发现

• 当感应精度强烈依赖于取向，且在与电场垂直（90°）时精度最高时，向列对齐显著增强了群体对电场的方向响应。
• 与邻近细胞速度方向正交对齐的细胞表现出更优的电场感应精度，尤其在与向列序结合时更为显著。
• 仅当感应精度随取向变化强烈时，细胞间的向列相互作用才能提升集群的方向性。
• 强细胞间黏附力可增强对电场的方向响应，其破坏可解释实验报告中关于黏附力必要性的矛盾结果。
• 旋转扩散系数D_r = 0.003 rad²/min被选定以匹配实验中的取向分布，验证了模型的生物学相关性。
• 模拟结果表明，最终稳态方向性在约5小时后稳定，报告值为每轮最后5小时的平均值。