[论文解读] Topological defect launches 3D mound in the active nematic sheet of neural progenitors

Kyogo Kawaguchi, Ryoichiro Kageyama+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Micro and Nano Robotics被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在神经祖细胞（NPC）的2D活性向列膜中，+1/2拓扑缺陷通过各向异性摩擦力和活性力驱动局部细胞聚集，触发3D圆顶的形成。该机制解释了拓扑缺陷如何作为活性向列系统中细胞密度控制的枢纽，实验验证通过活细胞成像和单细胞追踪显示了速度反转和相位依赖性动力学。

ABSTRACT

Cultured stem cells have become a standard platform not only for regenerative medicine and developmental biology but also for biophysical studies. Yet, the characterization of cultured stem cells at the level of morphology and macroscopic patterns resulting from cell-to-cell interactions remain largely qualitative, even though they are the simplest features observed in everyday experiments. Here we report that neural progenitor cells (NPCs), which are multipotent stem cells that give rise to cells in the central nervous system, rapidly glide and stochastically reverse its velocity while locally aligning with neighboring cells, thus showing features of an active nematic system. Within the two-dimensional nematic pattern, we find interspaced topological defects with +1/2 and -1/2 charges. Remarkably, we identified rapid cell accumulation leading to three-dimensional mounds at the +1/2 topological defects. Single-cell level imaging around the defects allowed quantification of the evolving cell density, clarifying that not only cells concentrate at +1/2 defects, but also escape from -1/2 defects. We propose the mechanism of instability around the defects as the interplay between the anisotropic friction and the active force field, thus addressing a novel universal mechanism for local cell density control.

研究动机与目标

• 理解神经祖细胞（NPC）培养中集体细胞运动与排列如何导致宏观图案的形成。
• 研究拓扑缺陷在2D活性向列系统中组织3D形态发生中的作用。
• 量化细胞动力学，包括速度切换和向列序，并将其与细胞周期阶段关联。
• 识别+1/2缺陷处局部细胞聚集及-1/2缺陷处逃逸的物理机制。
• 建立一个将活性向列行为与干细胞培养中涌现的3D结构相联系的生物物理模型。

提出的方法

• 使用表达H2B-mCherry的NPC进行宽场活细胞成像，以追踪单细胞轨迹并量化运动动力学。
• 利用Fucci细胞周期报告系统，将速度反转与G1/G2期相关联。
• 计算向列序参数和自相关函数，以分析排列与无记忆运动。
• 在无缺陷区域对细胞密度与排列涨落的空间相关性进行分析，以识别伸展型活性向列行为。
• 使用径向对称模型拟合缺陷周围的向列序分布，以提取缺陷核心结构。
• 利用实验拟合获得的参数模拟缺陷周围密度演化，以验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 NPC的2D活性向列膜中的拓扑缺陷如何影响3D形态发生？
• RQ2 是什么物理机制驱动细胞在+1/2缺陷处聚集而在-1/2缺陷处耗竭？
• RQ3 NPC中细胞速度反转与向列序如何与细胞周期阶段相关联？
• RQ4 NPC培养中活性向列相关性与巨量涨落的出现程度如何？
• RQ5 所观察到的圆顶形成是否可由各向异性摩擦力与活性力场的相互作用解释？

主要发现

• NPCs在高密度培养中表现出快速的、类似向列的运动，速度反转发生在约3小时的时间尺度上。
• +1/2拓扑缺陷作为3D圆顶的成核位点，细胞密度以与理论预测一致的速率径向向外增长。
• 通过单细胞追踪和密度分布拟合量化显示，细胞在+1/2缺陷处聚集，而在-1/2缺陷处逃逸。
• 向列自相关函数衰减缓慢，表明发生180°重新取向而非随机运动，与活性向列动力学一致。
• 在第一和第三象限中，密度与排列涨落之间的空间相关性为正，证实该系统为伸展型活性向列。
• 使用实验参数导出的模拟重现了观察到的圆顶生长，支持了由各向异性摩擦力和活性力驱动的不稳定性机制。