[论文解读] From jamming to collective cell migration through a boundary induced transition

Oleksandr Chepizhko, Maria Chiara Lionetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Micro and Nano Robotics被引用 16

一句话总结

本研究揭示了在密集群细胞单层中存在一种由边界引发的解团簇转变，其中伤口的形成会迅速引发从团簇、静态状态到流动、集体迁移状态的转变。实验与活性粒子模拟表明，细胞通过增强自推进力和对齐性实现重排，跨越了通过有限尺寸标度确定的相变线，该机制在上皮细胞、内皮细胞和癌细胞中均保持一致。

ABSTRACT

Cell monolayers provide an interesting example of active matter, exhibiting a phase transition from a flowing to jammed state as they age. Here we report experiments and numerical simulations illustrating how a jammed cellular layer rapidly reverts to a flowing state after a wound. Quantitative comparison between experiments and simulations shows that cells change their self-propulsion and alignement strength so that the system crosses a phase transition line, which we characterize by finite-size scaling in an active particle model. This wound-induced unjamming transition is found to occur generically in epithelial, endothelial and cancer cells.

研究动机与目标

• 研究密集群细胞单层中从团簇状态向集体细胞迁移转变的物理机制。
• 确定伤口诱导的解团簇是否在不同细胞类型中具有普适性。
• 利用实验与模拟数据表征从团簇到流动状态的相变。
• 识别驱动解团簇转变的关键物理参数——自推进力与对齐强度。
• 通过有限尺寸标度建立伤口诱导的边界效应与集体细胞动力学之间的定量联系。

提出的方法

• 在不同培养条件下，对HeLa、MCF-10A和小鼠内皮细胞的密集群细胞单层进行时间序列成像以观察伤口愈合过程。
• 应用粒子图像测速法（PIV）提取速度场，并量化实验数据中的集体运动。
• 通过可调自推进力与对齐强度的活性粒子模型进行大量数值模拟。
• 使用有限尺寸标度表征团簇与流动状态之间的相变线。
• 通过最小化结合速度分布与平均速度差异的代价函数，将模拟参数拟合至实验数据。
• 对比实验与模拟的速度分布及平均速度，以验证模型并识别伤后参数变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 伤口后，密集群细胞单层从团簇状态转变为流动状态的物理机制是什么？
• RQ2 伤口诱导的解团簇转变是否在不同上皮细胞、内皮细胞和癌细胞类型中均为普适现象？
• RQ3 自推进力与对齐强度的变化如何促进从团簇到集体迁移的相变？
• RQ4 解团簇转变是否能通过活性粒子模型推导出的相图进行定量描述？
• RQ5 伤口边界在启动和传播集体细胞重新定向与流体化过程中起什么作用？

主要发现

• 伤口诱导了快速的、由边界触发的解团簇转变，使原本静态、团簇的单层转变为流动、集体迁移的状态。
• 伤口后细胞的自推进力与对齐强度增强，推动系统跨越通过有限尺寸标度识别的相变线。
• 该解团簇转变在上皮细胞、内皮细胞和癌细胞系中均普遍观察到，表明其具有保守的物理机制。
• 速度场的重新组织从伤口边缘开始并向内传播，与应力诱导的信号传导和Plithotaxis一致。
• 实验与模拟之间的一致性定量结果证实，自推进力与对齐强度的变化足以解释解团簇转变。
• 该相变由自推进力与对齐强度参数空间中的临界点表征，有限尺寸标度证实了其普适性。