[论文解读] Geometric signatures of tissue surface tension in a three-dimensional model of confluent tissue

Preeti Sahu, J. M. Schwarz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 86被引用 15

一句话总结

本研究提出，在3D致密组织中，两种细胞类型之间的组织表面张力会产生独特的几何特征——类向列有序排列、双峰分布的面片面积以及界面处细胞中心的对齐——这些特征可直接用于从3D组织分割数据中估算界面张力。通过3D Voronoi模型和最简有序晶格模型，作者表明，细胞本体形状偏好与界面能最小化之间的竞争驱动了这些特征，且其大小与施加的张力呈线性关系。

ABSTRACT

In dense biological tissues, cell types performing different roles remain segregated by maintaining sharp interfaces. To better understand the mechanisms for such sharp compartmentalization, we study the effect of an imposed heterotypic tension at the interface between two distinct cell types in a fully 3D model for confluent tissues. We find that cells rapidly sort and self-organize to generate a tissue-scale interface between cell types, and cells adjacent to this interface exhibit signature geometric features including nematic-like ordering, bimodal facet areas, and registration, or alignment, of cell centers on either side of the two-tissue interface. The magnitude of these features scales directly with the magnitude of imposed tension, suggesting that biologists can estimate the magnitude of tissue surface tension between two tissue types simply by segmenting a 3D tissue. To uncover the underlying physical mechanisms driving these geometric features, we develop two minimal, ordered models using two different underlying lattices that identify an energetic competition between bulk cell shapes and tissue interface area. When the interface area dominates, changes to neighbor topology are costly and occur less frequently, which generates the observed geometric features.

研究动机与目标

• 本文旨在理解组织表面张力如何在3D致密组织中驱动清晰且可变形的界面。
• 研究探讨了两种细胞类型界面处的几何特征是否可作为异型界面张力（HIT）的直接读出指标。
• 本研究旨在揭示3D细胞分选的物理机制，特别是拓扑约束与能量竞争的作用。
• 旨在验证几何特征与HIT大小成比例，从而实现无需直接测量张力即可进行实验估算。
• 本研究检验了最简模型是否能再现并解释全3D模拟中观察到的涌现几何有序性。

提出的方法

• 采用3D Voronoi镶嵌模型模拟具有周期性边界条件的致密组织，以细胞中心作为Voronoi种子。
• 为细胞分配期望体积V₀和表面积S₀，由此定义期望形状指数s₀ = S₀/V₀^(2/3)。
• 通过引入额外的能量项施加异型界面张力（HIT），以促进不同类型细胞间界面面积的减少。
• 构建两种最简有序晶格模型——体心立方（BCC）和六方最密堆积（HCP）——以分离细胞本体形状能与界面能之间的竞争。
• 模型分析了细胞层之间注册（对齐）变化如何影响共享表面积与总能量。
• 通过数值模拟与最速下降动力学进行能量最小化，以探测机械平衡态及恢复力，通过扰动评估力响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3D致密组织中，两种细胞类型界面处的几何特征是否可作为异型界面张力（HIT）的可靠指标？
• RQ2 是什么物理机制驱动了界面处类向列有序排列、双峰分布面片面积以及细胞中心对齐的出现？
• RQ3 在3D中，细胞本体形状偏好与界面能之间的竞争如何最小化系统总能量？
• RQ4 在机械平衡状态下，界面扰动的恢复力响应是否表现出胡克型或非胡克型（尖点状）行为？
• RQ5 最简晶格模型是否能再现全3D Voronoi模拟中观察到的几何与能量特征？

主要发现

• 当施加异型界面张力（HIT）时，细胞迅速分选为不同区域，形成3D中清晰且可变形的界面。
• 界面附近的细胞表现出类向列有序排列，其面片面积呈现双峰分布。
• 界面两侧的细胞中心表现出对齐（注册），这是一种与HIT大小成线性关系的几何特征。
• 几何特征的强度——包括向列有序度、双峰面积分布以及对齐程度——与施加的界面张力大小成比例增加。
• 在高张力下，扰动界面细胞的恢复力表现出尖点状的非胡克型行为，表明由于拓扑约束导致能量最小值非解析。
• 最简模型（BCC与HCP晶格）证实，细胞本体形状能与界面能之间的竞争驱动了3D中的细胞分选及几何特征的出现。