[论文解读] The morphodynamics of 3D migrating cancer cells

Christopher Eddy, Xinyao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2018

Cellular Mechanics and Interactions被引用 3

一句话总结

本研究揭示，3D迁移的MDA-MB-231癌细胞表现出由细胞外基质（ECM）力学和Rho信号通路调控的动态形态波动——即形态动力学，驱动细胞在不同迁移模式间发生表型转换。通过机器学习对五种形态表型进行分类，作者发现这些转换通过使细胞能够搜索并转向更具运动性的表型，从而增强其侵袭潜能，表明形态动力学是癌细胞运动性和转移潜能的关键生物标志物。

ABSTRACT

Cell shape is an important biomarker that is directly linked to cell function. However, cell morphodynamics, namely the temporal fluctuation of cell shape is much less understood. We study the morphodynamics of MDA-MB-231 cells in type I collagen extracellular matrix (ECM). We find ECM mechanics, as tuned by collagen concentration, controls the morphodynamics but not the static cell morphology. We employ machine learning to classify cell shape into five different morphological phenotypes corresponding to different migration modes. As a result, cell morphodynamics is mapped into temporal evolution of morphological phenotypes. We systematically characterize the phenotype evolutions including occurrence probability, dwell time, transition flux, and 3D migrational characteristics. We find that manipulating Rho-signaling enhances the morphodynamics and phenotype transitions. Using a tumor organoid model, we show that the distinct invasion potentials of each phenotype modulate the phenotype homeostasis. Overall invasion of a tumor organoid is facilitated by individual cells searching for and committing to phenotypes of higher invasive potential. In conclusion, we show that 3D migrating cancer cells exhibit rich morphodynamics that is regulated by ECM mechanics, Rho-signaling, and is closely related with cell motility. Our results pave the way to the systematic characterization and functional understanding of cell morphodynamics as a new biomarker for normal and malignant cells.

研究动机与目标

• 研究细胞外基质（ECM）力学如何影响3D迁移癌细胞的细胞形状时间动态（形态动力学）。
• 利用机器学习将动态细胞形状分类为对应不同迁移程序的独立形态表型。
• 确定形态表型转换如何影响肿瘤类器官中3D运动性和侵袭潜能。
• 探究Rho信号通路在调控3D环境中形态动力学波动和表型稳定性中的作用。
• 确立形态动力学作为3D环境中癌细胞运动性和转移潜能的功能生物标志物。

提出的方法

• 在不同胶原浓度（1.0–2.0 mg/mL）的3D I型胶原基质中对MDA-MB-231细胞进行时间序列荧光显微成像。
• 细胞分割与几何特征提取（面积、周长、长宽比、紧实度、形状因子），以在每个时间点量化细胞形状。
• 基于机器学习将细胞形状分类为五种形态表型：丝状伪足型、叶状伪足型、叶状伪足型、小泡状隆起型和半球形泡状隆起型。
• 对表型动态进行定量分析：出现概率、停留时间、转换通量以及3D迁移特性（持续性、扩散系数）。
• 使用ROCK抑制剂Y-27632对Rho信号通路进行药理学干扰，评估其对形态动力学行为的影响。
• 进行肿瘤类器官侵袭实验，将播散细胞的表型组成与侵袭潜能相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过胶原浓度调节的ECM刚度如何调控3D迁移MDA-MB-231细胞的形态动力学？
• RQ2 哪些形态表型对应不同的迁移程序，其转换动力学如何影响3D运动性？
• RQ3 Rho信号通路的调节如何影响3D环境中形态表型的稳定性和动态特性？
• RQ4 在3D肿瘤类器官模型中，表型转换在多大程度上促进癌细胞的侵袭潜能？
• RQ5 形态动力学能否作为癌细胞运动性和转移行为的功能生物标志物？

主要发现

• ECM力学通过胶原浓度调节，显著调控形态动力学，但不改变静态细胞形状的总体分布。
• 细胞表现出快速的动态形态波动，在时间上持续采样多种形态表型，且在较高胶原浓度下转换速率增加。
• 在1.5 mg/mL胶原浓度下，丝状伪足型表型表现出最高持续性（0.77 μm/s）和扩散系数（0.48 μm²/s），表明在中等刚度下具有最佳运动性。
• 通过Y-27632抑制Rho信号通路可增强形态动力学活动，提高形态波动及表型间转换速率。
• 在肿瘤类器官中，播散细胞主要由高度侵袭性的表型组成——尤其是丝状伪足型和叶状伪足型，表明侵袭过程中存在表型选择。
• 表型稳态随ECM刚度变化而改变：在2.0 mg/mL胶原浓度下，泡状隆起型表型占主导（60%出现率），而在1.0 mg/mL下，间质样表型更稳定，凸显表型动态的环境依赖性。