[论文解读] Overcrowding drives the unjamming transition of gap-free monolayers

Tao Su, Ganhui Lan|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2016

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 63被引用 6

一句话总结

本研究表明，由于各向同性压缩，无间隙单层细胞在过度拥挤时会引发解团簇转变，这与颗粒系统中典型的密度驱动团簇化行为相反。该转变由细胞间黏附力和各向同性压缩共同调控，自由能景观分析显示，在解团簇过程中，势垒轮廓从单势垒转变为双势垒，表明高度可变形组织的机械屈服。

ABSTRACT

Collective cell motility plays central roles in various biological phenomena such as inflammatory response, wound healing, cancer metastasis and embryogenesis. These are biological demonstrations of the unjamming transition. However, contradictory to the typical density-driven jamming processes in particulate assemblies, cellular systems often get unjammed in highly packed, sometimes overcrowding tissue environments. In this work, we report that overcrowding can unjam gap-free monolayers through increasing isotropic compression. The transition boundary is determined by the isotropic compression and the cell-cell adhesion. We explicitly construct the free energy landscape for the T1 topological transition during monolayer rearrangement, and find that it evolves from single-barrier shape to double-barrier shape upon completion of the unjamming process. Our analyses reveal that the overcrowding and adhesion induced unjamming transition reflects the mechanical yielding of the highly deformable monolayer, which differs from those caused by loosing up a packed particulate assembly.

研究动机与目标

• 理解致密、无间隙上皮单层细胞中解团簇转变的机械机制。
• 解决在过度拥挤组织中出现解团簇现象与经典颗粒系统中团簇化行为相悖的悖论。
• 明确各向同性压缩和细胞间黏附力在驱动解团簇转变中的作用。
• 构建并分析单层细胞重排过程中T1拓扑转变的自由能景观。
• 揭示机械屈服如何在伤口愈合和癌症转移等生物过程中驱动集体细胞运动。

提出的方法

• 将单层细胞建模为在各向同性压缩下无间隙、高度密集的细胞集合体。
• 利用自由能景观分析表征单层细胞重排过程中T1拓扑转变的特性。
• 基于各向同性压缩和细胞间黏附强度推导转变边界。
• 模拟单层细胞在不同程度过度拥挤下的机械响应。
• 追踪解团簇过程中自由能轮廓从单势垒到双势垒形态的演化。
• 应用软凝聚 matter 物理学原理于生物组织力学研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管细胞密度高，过度拥挤如何通过各向同性压缩诱导无间隙单层细胞的解团簇转变？
• RQ2 各向同性压缩在驱动解团簇转变中起什么作用？
• RQ3 细胞间黏附力与机械应力如何共同决定解团簇边界？
• RQ4 单层细胞解团簇过程中，T1转变的自由能景观发生何种变化？
• RQ5 为何在可变形上皮组织中机械屈服主导解团簇转变，而非颗粒系统的解团簇行为？

主要发现

• 过度拥挤通过各向同性压缩诱导解团簇转变，逆转了典型的密度驱动团簇化行为。
• 解团簇转变边界的确定取决于各向同性压缩与细胞间黏附力的相互作用。
• T1转变的自由能景观在解团簇过程中由单势垒形态演变为双势垒形态，表明机械稳定性发生改变。
• 解团簇过程反映了高度可变形单层细胞的机械屈服，与刚性颗粒集合体的解团簇行为截然不同。
• 该转变由内部压应力驱动，而非密度降低，凸显了生物组织中独特的机制。
• 本研究为理解伤口愈合和癌症转移过程中集体细胞运动提供了机械框架。