[论文解读] Dynamic Image-Based Modelling of Kidney Branching Morphogenesis

Srivathsan Adivarahan, Denis Menshykau+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2013

Renal and related cancers参考文献 22被引用 5

一句话总结

本研究开发了一套基于动态图像的建模框架，利用培养肾脏的2D时间序列显微镜数据模拟肾脏分支形态发生。通过提取上皮组织的几何形态与位移场，作者检验了图灵型反应-扩散模型及依赖于扩散的几何效应，发现后者——尤其是当诱导因子（如GDNF）在间充质中产生时——最能复现观察到的生长场与信号模式，表明图灵机制与几何约束在分支调控中具有协同作用。

ABSTRACT

Kidney branching morphogenesis has been studied extensively, but the mechanism that defines the branch points is still elusive. Here we obtained a 2D movie of kidney branching morphogenesis in culture to test different models of branching morphogenesis with physiological growth dynamics. We carried out image segmentation and calculated the displacement fields between the frames. The models were subsequently solved on the 2D domain, that was extracted from the movie. We find that Turing patterns are sensitive to the initial conditions when solved on the epithelial shapes. A previously proposed diffusion-dependent geometry effect allowed us to reproduce the growth fields reasonably well, both for an inhibitor of branching that was produced in the epithelium, and for an inducer of branching that was produced in the mesenchyme. The latter could be represented by Glial-derived neurotrophic factor (GDNF), which is expressed in the mesenchyme and induces outgrowth of ureteric branches. Considering that the Turing model represents the interaction between the GDNF and its receptor RET very well and that the model reproduces the relevant expression patterns in developing wildtype and mutant kidneys, it is well possible that a combination of the Turing mechanism and the geometry effect control branching morphogenesis.

研究动机与目标

• 开发一种计算框架，整合活体成像与计算机模拟，以研究肾脏分支形态发生。
• 检验图灵型反应-扩散机制或依赖于几何的扩散效应，哪种更能解释发育肾脏中观察到的动态生长模式。
• 将模型预测与培养肾脏切片活体成像的实验数据进行验证。
• 评估在形变的、具有生理相关性的域上，信号模式的稳定性和鲁棒性。
• 探讨分子信号传导（如GDNF-RET）与组织几何形态在调控分支模式中的相互作用。

提出的方法

• 使用时间序列2D显微镜对离体培养的肾脏进行成像，记录48小时内动态的分支形态发生过程。
• 采用MATLAB进行图像分割与光流分析，提取连续帧之间的上皮组织形态与位移场。
• 将提取的几何形态与位移场导入COMSOL Multiphysics，对形变域上的反应-扩散模型进行有限元模拟。
• 应用Schnakenberg型图灵模型，利用无量纲化的反应-扩散方程模拟GDNF、RET与Wnt11的信号传导动力学。
• 通过改变初始条件与配体来源位置（上皮组织或间充质），评估模式的稳定性和生物学合理性。
• 在静态帧与基于实测位移场的连续形变域上分别进行模拟，以评估模型的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 图灵型反应-扩散机制是否能在发育肾脏上皮组织的复杂、动态几何形态上稳定生成分支模式？
• RQ2 信号分子（如GDNF）的空间定位如何影响最终的生长场与分支模式？
• RQ3 上皮组织域的几何形态——尤其是其曲率与形状——在多大程度上调节信号传导动力学与模式形成？
• RQ4 图灵机制与依赖于几何的扩散效应相结合，是否比单独使用任一机制更能解释实验观测结果？
• RQ5 当在与真实组织生长相匹配的连续形变域上模拟时，预测的信号模式在多大程度上保持稳定？

主要发现

• 图灵机制在提取的上皮形态上表现不稳定，对噪声初始条件敏感，限制了其在稳定模式形成中的生物学合理性。
• 当诱导因子（如GDNF）在间充质中产生时，依赖于扩散的几何效应成功复现了观察到的生长场，与实验数据匹配最佳。
• 当配体在上皮组织中产生并作为抑制剂时，几何效应同样能合理匹配观察到的位移场。
• 以GDNF作为间充质诱导因子（D = 200）的最佳拟合模拟，在静态域上产生的信号模式与在连续形变域上的结果高度一致，表明其在形变下具有稳定性。
• 在理想化域上模拟时，该模型成功再现了GDNF与RET突变体的已知表型，支持其生物学相关性。
• GDNF/RET信号传导无法单独解释输尿管芽的位移，表明还存在其他机械或信号过程参与。