[论文解读] Epithelial Tissue Growth Dynamics: Universal or Not?

Mahmood Mazarei, Jan Åström+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Cellular Mechanics and Interactions被引用 4

一句话总结

本研究采用可变形细胞的动态分裂模型，表明上皮组织生长动力学并非普遍受单一普遍性类别的支配。通过调节细胞间黏附强度，该模型重现了MBE类标度（弱黏附）和KPZ类标度（强黏附），通过细胞相互作用的机械与黏附调控，解决了长期存在的界面粗糙度普遍性争议。

ABSTRACT

Universality of interfacial roughness in growing epithelial tissue has remained a controversial issue. Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) and Molecular Beam Epitaxy (MBE) universality classes have been reported among other behaviors including total lack of universality. Here, we utilize a kinetic division model for deformable cells to investigate cell-colony scaling. With seemingly minor model changes, it can reproduce both KPZ- and MBE-like scaling in configurations that mimic the respective experiments. This result neutralizes the apparent scaling controversy. It can be speculated that this diversity in growth behavior is beneficial for efficient evolution and versatile growth dynamics.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：上皮组织生长是否遵循类似KPZ或MBE的普遍标度律。
• 研究细胞的机械与黏附特性如何影响生长菌落中的界面粗糙度与标度行为。
• 确定实验中观察到的标度指数差异是否源于内在普遍性，或仅是模型特异性参数所致。
• 检验假设：多样的生长动力学源于细胞黏附与机械相互作用的微小变化。

提出的方法

• 采用可变形细胞的动态分裂模型，模拟具有可调细胞间黏附强度的径向与线性菌落生长。
• 模型整合了细胞分裂、机械力与摩擦，以模拟生物微环境。
• 应用Family-Vicsek标度关系进行标度分析，从界面宽度与结构因子中提取关键指数β、α与z。
• 通过将模拟的标度塌缩与Brú等人（MBE类）及Huergo等人（KPZ类）的实验数据对比，对模型进行验证。
• 系统性地改变黏附强度、细胞刚性、摩擦系数与分裂规则，以检验标度行为的鲁棒性。
• 分析界面的分形维数与菌落前缘速度，以评估形态与动力学与实验的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一基于细胞的模型能否重现上皮组织生长中的MBE类与KPZ类标度？
• RQ2 哪些机械或黏附参数决定了生长菌落表现出MBE或KPZ标度？
• RQ3 实验报告中KPZ与MBE普遍性之间的表观矛盾，是源于模型差异还是生物变异性？
• RQ4 细胞间黏附强度的变化如何影响径向与线性生长构型中的标度指数β、α与z？
• RQ5 标度行为在多大程度上对细胞-介质摩擦、膜间摩擦及细胞类型异质性变化保持鲁棒？

主要发现

• 在弱细胞间黏附条件下，模型表现出MBE类标度，全局粗糙度指数α_glob = 0.95 ± 0.04，生长指数β_weak = 0.40 ± 0.04。
• 在强黏附条件下，模型显示KPZ类标度，β_strong = 0.42 ± 0.06，局部粗糙度α_loc = 0.70 ± 0.01。
• 界面的分形维数在所有条件下保持稳定（1.13–1.26），与实验观察一致。
• 菌落前缘速度保持恒定（弱黏附时v ≈ 4.24，强黏附时v ≈ 2.15），支持实验中观察到的恒速生长。
• 标度行为对细胞-介质摩擦、膜间摩擦、分裂规则与细胞刚性多样性的变化具有鲁棒性。
• 从Brú等人与Huergo等人获取的数字化实验数据与模拟的标度塌缩具有良好一致性，验证了模型的预测能力。