МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ПОДВИЖНОСТИ И МЕЖКЛЕТОЧНЫХ АКТИВНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА СОРТИРОВКУ ДВУХ ТИПОВ КЛЕТОК В КУЛЬТУРАХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Движение клеток лежит в основе многих биологических явлений. Важную роль в управлении клеточными движениями играют активные напряжения, которые развиваются в биологических тканях в результате механических взаимодействий клеток между собой. Изучение эволюции смесей клеток разных типов, образующих клеточные агрегаты, показало, что активные силовые межклеточные взаимодействия приводят к пространственному разделению клеток разных типов – сортировке клеток. В рамках континуальной модели биологической сплошной среды [24] (клетки разных типов рассматриваются как отдельные фазы), в данной работе проведено исследование влияния параметров, которые характеризуют различные механизмы развития активных межклеточных напряжений, а также адгезию и клеточную подвижность на процесс сортировки двух типов клеток, образующих в начальный момент времени агрегат сферической формы. Показано, что достаточными условиями сортировки клеток разных типов и формирования резкой границы между областями, которые они занимают, является отсутствие стягивающих взаимодействий между клетками разных фаз при условии асимметрии начальных распределений их концентрации или асимметрии параметров, характеризующих развитие активных напряжений в разных фазах. Показано, что клетки той фазы, в которой активные стягивающие межклеточные взаимодействия сильнее (при одинаковых для разных клеточных фаз значениях остальных параметров и одинаковых начальных распределениях концентраций фаз), стремятся занять центральную область сфероида. В то же время клетки другой фазы, между которыми стягивающие взаимодействия слабее, вытесняются на периферию. Увеличение параметра, характеризующего отталкивание клеток, приводит к вытеснению этой клеточной фазы на периферию. Помимо сил активного взаимодействия клеточные движения могут контролироваться как механическими пассивными свойствами среды, так и подвижностью клеток. Асимметрия межфазного распределения этих параметров может приводить к тому, что клетки, обладающие большими стягивающими взаимодействиями, будут вытесняться в периферическую область клеточного сфероида и окружать клетки, между которыми эти взаимодействия слабее.

Об авторах

С. А. Логвенков

Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”; МГУ им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт механики

Автор, ответственный за переписку.
Email: logv@bk.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

Список литературы

  1. Davidson L.A., Joshi S.D., Kim H.Y., Dassow M., Zhang L., Zhou J. Emergent morphogenesis: elastic mechanics of a self-deforming tissue // J. Biomech. 2010. V. 43. № 1. P. 63–70.
  2. Keller R., Davidson L., Edlund A., Elul T., Ezin M., Shook D., Skoglund P. Mechanisms of convergence and extension by cell intercalation // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2000. V. 355 (1399). P. 897–922.
  3. Keller R., Davidson L.A., Shook D.R. How we are shaped: The biomechanics of gastrulation // Differentiation. 2003. V. 71. P. 171–205.
  4. Fried P., Gilmour D. Collective cell migration in morphogenesis, regeneration and cancer // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009. V. 10. P. 445–457.
  5. Farooqui R., Fenteany G. Multiple rows of cells behind an epithelial wound edge extend cryptic lamellipodia to collectively drive cell-sheet movement // J. Cell. Sci. 2005. V. 118. P. 51–63.
  6. Serra-Picamal X., Conte V., Vincent R., Anon E., Tambe D.T., Bazellieres E., Butler J.P., Fredberg J.J., Trepat X. Mechanical waves during tissue expansion // Nature Physic. 2012. V. 8. P. 628–634.
  7. Tracqui P. Biophysical models of tumour growth // Rep. Progr. Phys. 2009. V. 72. № 5. P. 056701.
  8. Franssen L.C., Lorenzi T., Burgess A.E.F., Chaplian M. A. J. A mathematical framework for modelling the metastatic spread of cancer // Bull. Math. Biol. 2019. V. 81. P. 1965–2010.
  9. Mammoto T., Ingber D.E. Mechanical control of tissue and organ development // Development. 2010. V. 137. № 9. P. 1407–1420.
  10. Reig G., Pulgar E., Concha M.L. Cell migration: from tissue culture to embryos // Development. 2014. V. 141. № 10. P. 1999–2013.
  11. Gerhart J.C. Mechanisms regulating pattern formation in the amphibian egg and early embryo. In: “Biological Regulation and Development, Goldberger R. (ed), New York: Plenum Press, 1980. V. 2. P. 133–316.
  12. Beloussov L.V., Louchinskaia N.N., Stein A.A. Tension-dependent collective movements in the early gastrula ectoderm of Xenopus laevis embryos // Dev. Gen. Evol. 2000. V. 210. P. 92–104.
  13. Maitre J.L., Berthoumieux H., Krens S.F., Salbreux G., Julicher F., Paluch E., Heisenberg C.P. Adhesion functions in cell sorting by mechanically coupling the cortices of adhering cells // Science. 2012. V. 338(6104). P. 253–256.
  14. Theveneau E., Mayor R. Cadherins in collective cell migration of mesenchymal cells // Curr. Opin. Cell Biol. 2012. V. 24. P. 677–684.
  15. Pawlizak S., Fritsch A.W., Grosser S., Ahrens D., Thalheim T., Riedel S., Kiebling T.R., Oswald L., Zink M., Manning M.E., Kas J. A. Testing the differential adhesion hypothesis across the epithelial-mesenchymal transition // New Journal of Physics. 2015. V. 17. № 8. 083049.
  16. Vasioukhin V., Fuchs E. Actin dynamics and cell-cell adhesion in epithelia // Curr. Opin. Cell Biol. 2001. V. 13. № 1. P. 76–84.
  17. Bertet C., Sulak L., Lecuit T. Myosin-dependent junction remodelling controls planar cell intercalation and axis elongation // Nature. 2004. V. 429. P. 667–671.
  18. Lecuit T., Lenne P.F., Munro E. Force generation, transmission, and integration during cell and tissue morphogenesis // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2011. V. 27. P. 157–184.
  19. Harris A.K. Is cell sorting caused by differences in the work of intercellular adhesion? A critique of the steinberg hypothesis // J. Theor. Biol. 1976. V. 61. P. 267–285.
  20. Brodland G.W. The Differential Interfacial Tension Hypothesis (DITH): a comprehensive theory for the self-rearrangement of embryonic cells and tissues // J. Biomech. Eng. 2002. V. 124. P. 188–197.
  21. Krieg M., Arboleda-Estudillo Y., Puech P.H., Kafer J., Graner F., Muller D.J., Ytisenberg C.-P. Tensile forces govern germ-layer organization in zebrafish // Nat. Cell Biol. 2008. V. 10. P. 429–436.
  22. Steinberg M.S., Wiseman L.L. Do morphogenetic tissue rearrangements require active cell movements? // J. Cell Biol. 1972. V. 55. P. 606–615.
  23. Mehes E., Viscek T. Segregation mechanisms of tissue cells: from experimental data to models // Complex Adapt. Syst. Model. 2013. V. 1. P. 4.
  24. Логвенков С.А., Штейн А.А. Континуальное моделирование биологической среды, составленной активно взаимодействующими клетками двух разных типов // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 6. С. 3–16.
  25. Логвенков С.А., Штейн А.А. Континуальное моделирование сортировки клеток в плоском слое с учетом возможного расхождения границ областей, занятых клетками двух разных типов // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 3. С. 1–16.
  26. Логвенков С.А. Моделирование сортировки двух типов клеток в клеточном сфероиде с учетом подвижности границ областей, занятых клетками разных типов // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 101–115.
  27. Stein A.A., Logvenkov S.A., Volodyaev I.V. Continuum modeling of mechano-dependent reactions in tissues composed of mechanically active cells // BioSystems. 2018. V. 173. P. 225–234.
  28. Белоусов Л.В., Логвенков С.А., Штейн А.А. Математическая модель активной биологической сплошной среды с учетом деформаций и переупаковки клеток // Известия РАН. МЖГ. 2015. № 1. С. 3–14.
  29. Логвенков С.А., Штейн А.А. Математическая модель пространственной самоорганизации в механически активной клеточной среде // Биофизика. 2017. Т. 62. № 6. С. 1123–1133.
  30. Taylor H.B., Khuong A., Wu Z., Xu Q., Morley R., Gregory L., Poliakov A., Taylor W.R., Wilkinson D.G. Cell segregation and border sharpening by Eph receptor-ephrin-mediated heterotypic repulsion // J. R. Soc. Interface. 2017. V. 14. № 132. P. 20170338.
  31. Canty L., Zarour E., Kashkooli L., François P., Fagotto F. Sorting at embryonic boundaries requires high heterotypic interfacial tension // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 157.
  32. Yanagida A., Corujo-Simon E., Revell C.K., Sahu P., Stirparo G.G., Aspalter I.M., Winkel A.K., Peters R., De Belly H., Cassani D.A.D., Achouri S., Blumenfeld R., Franze K., Hannezo E., Paluch E.K., Nichols J., Chalut K.J. Cell surface fluctuations regulate early embryonic lineage sorting // Cell. 2022. V. 185. № 5. P. 777–793.
  33. Mehes E., Viscek T. Collective motion of cells: from experiments to models // Integr. Biol. 2014. V. 6. № 9. P. 831–854.
  34. Halbleib J.M., Nelson W.J. Cadherins in development: cell adhesion, sorting, and tissue morphogenesis // Genes Dev. 2006. V. 20. P. 3199–214.
  35. Niessen C.M., Leckband D., Yap A.S. Tissue organization by cadherin adhesion molecules: dynamic molecular and cellular mechanisms of morphogenetic regulation // Physiol. Rev. 2011. V. 91. P. 691–731.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (51KB)
Метаданные
3.

Скачать (50KB)
Метаданные
4.

Скачать (48KB)
Метаданные
5.

Скачать (45KB)
Метаданные

© С.А. Логвенков, 2023