[论文解读] The self-organised, non-equilibrium dynamics of spontaneous cancerous buds

Abramo Agosti, Stefano Marchesi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2019

Mathematical Biology Tumor Growth参考文献 47被引用 5

一句话总结

本研究揭示，胶质母细胞瘤单层培养中自发形成的癌性芽状结构通过细胞-细胞和细胞-基质黏附处的机械力驱动的非平衡动力学实现自组织。结合体外实验与具有梯度动力学的相场模型，作者证明了簇状生长在饱和前遵循幂律阶段，其时空模式遵循普遍统计规律，凸显了机械-化学反馈在肿瘤侵袭中的核心作用。

ABSTRACT

Tissue self-organization into defined and well-controlled three-dimensional structures is essential during development for the generation of organs. A similar, but highly deranged process might also occur during the aberrant growth of cancers, which frequently display a loss of the orderly structures of the tissue of origin, but retain a multicellular organization in the form of spheroids, strands, and buds. The latter structures are often seen when tumors masses switch to an invasive behavior into surrounding tissues. However, the general physical principles governing the self-organized architectures of tumor cell populations remain by and large unclear. In this work, we perform in-vitro experiments to characterize the growth properties of glioblastoma budding emerging from monolayers. Using a theoretical model and numerical tools here we find that such a topological transition is a self-organised, non-equilibrium phenomenon driven by the trade--off of mechanical forces and physical interactions exerted at cell-cell and cell-substrate adhesions. Notably, the unstable disorder states of uncontrolled cellular proliferation macroscopically emerge as complex spatio--temporal patterns that evolve statistically correlated by a universal law.

研究动机与目标

• 理解控制胶质母细胞瘤单层中癌性芽状结构自组织、非平衡形成的物理原理。
• 研究细胞-细胞与细胞-基质界面处的机械力及黏附相互作用如何驱动向侵袭性表型的拓扑转变。
• 表征肿瘤簇的时空演化过程，并识别其生长动力学中的普遍标度律。
• 建立一个理论与数值模型，以捕捉无控制增殖中复杂、统计相关模式的出现。
• 将体外芽状形成实验观测与包含化学-机械反馈的预测性相场模型相衔接。

提出的方法

• 在37°C和5% CO₂条件下，对U-87 MG胶质母细胞瘤细胞进行2D单层培养的体外实验，初始密度为43,100 cells/cm²。
• 利用明场显微镜追踪30天内的簇形成与生长过程，并通过Fiji和MorphoLibJ进行形态学分析，量化面积、周长与特征长度。
• 开发了一类由Cahn–Hilliard型方程控制的相场模型，采用自由能泛函的凸分割法以确保梯度稳定性。
• 引入变分不等式以强制执行细胞密度场的正性和紧支集，对活动节点应用零空间法。
• 使用集中L²标量积以区分具有移动边界的紧支集解与固定支集解。
• 采用时间隐式、半隐式格式进行系统模拟，并通过网格搜索对参数进行调优，以最小化模拟与实验L(t)曲线之间的L²误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非平衡条件下，何种物理机制驱动胶质母细胞瘤单层中癌性多细胞芽状结构的自发出现？
• RQ2 细胞-细胞与细胞-基质黏附处的机械力如何调控从单层到芽状形态的拓扑转变？
• RQ3 尽管存在无控制增殖，肿瘤簇的时空模式是否遵循普遍的统计规律？
• RQ4 包含化学-机械反馈的相场模型在多大程度上能再现实验观测到的幂律生长与簇体饱和现象？
• RQ5 细胞密度、黏附力与基质刚性之间的相互作用如何塑造癌性芽状结构的形态演化？

主要发现

• 肿瘤簇表现出双相生长模式：初期生长后于第15天出现退化，随后在第18至30天进入持续的幂律生长阶段，最终趋于饱和。
• 簇的特征尺度随时间呈幂律演化，表明在生长阶段具有自相似、标度不变的动力学特性。
• 结构因子分析表明，系统向具有普遍标度行为的统计相关模式演化，与非平衡相分离行为一致。
• 通过调节参数β和Πd，模型成功再现了实验中的簇体生长轮廓，最优参数值见表1。
• 采用凸分割与变分不等式的相场模型确保了数值稳定性与物理一致性，正确捕捉了具有移动边界的紧支集解。
• 共聚焦显微镜证实，芽状结构具有扁平的三维形态，最大厚度约为~50 µm，验证了模型中2D近似的合理性。