Collective Cell Mechanics of Small-Organoid Morphologies

講演日:2019.11.06 (Wed)

  • 生物物理


Primož Ziherl (Jozef Stefan Institute, University of Ljubljana)


The study of organoids, artificially grown cell aggregates with the functionality and small-scale anatomy of real organs, is one of the most active areas of research in biology and biophysics. The genetic foundation underlying targeted growth and the production of various types of organoids has been intensively studied, but the basic physical origins of their different morphologies remain poorly understood. Here we propose a mechanistic theory of small-organoid morphologies in both stationary and growing organoids. Using a 3D vertex model of single-cell-thick epithelial shells, we reproduce many of the characteristic shapes, ranging from branched and budded structures to invaginated shapes reminiscent of optic cup organoids. Our model includes cell rearrangements that arise due to active noise at the level of the adherens junctions. We find that the formation of branched morphologies relies strongly on a high degree of junctional activity, enabling temporary aggregations of topological defects in cell packing (i.e. of cells with more or fewer than six neighbors) to establish a non-trivial distribution of the Gaussian curvature. To elucidate our numerical results, we also develop an effective elasticity theory, which features a local curvature-thickness coupling. The strength of this coupling is related to the apico-basal differential surface tension, which allows one to estimate the apico-basal polarity from the organoid-scale modulation of cell height. Together, our results provide a generic interpretation of the observed small-organoid morphologies and they highlight the role of physical factors, such as the differential surface tension, cell rearrangements, and tissue growth. Importantly, since these mechanisms are sufficient for the formation of complex shapes, cell differentiation may play a secondary role in establishing the overall shape of small organoids.

参考: Antonio Siber, Primoz Ziherl, “Cellular Patterns”, CRC Press, 2017

オルガノイドの研究は、実際の臓器の機能と小規模な解剖学を備えた人工的に成長した細胞凝集体であり、生物学と生物物理学の研究で最も活発な分野の1つです。標的の成長とさまざまなタイプのオルガノイドの生産の基礎となる遺伝的基盤が集中的に研究されていますが、それらの異なる形態の基本的な物理的起源はよくわかっていません。ここでは、定常オルガノイドと成長オルガノイドの両方における小オルガノイド形態の機構理論を提案します。単一細胞厚の上皮シェルの3D頂点モデルを使用して、分岐や芽のある構造から視神経乳頭オルガノイドを連想させる陥入形状に至るまで、特徴的な形状の多くを再現します。このモデルには、接着接合部のレベルでのアクティブノイズが原因で発生するセルの再配置が含まれています。分岐形態の形成は、高度な接合活動に強く依存し、ガウス曲率の非自明な分布を確立するために、セルパッキング(つまり、6個以上または6個未満の隣接セルを持つ)のトポロジカル欠陥の一時的な凝集を可能にします。 。数値結果を解明するために、局所的な曲率と厚さの結合を特徴とする効果的な弾性理論も開発しています。このカップリングの強さは、アピコ基底微分表面張力に関連しており、細胞の高さのオルガノイドスケール変調からアピコ基底極性を推定することができます。一緒に、私たちの結果は観察された小さなオルガノイドの形態の一般的な解釈を提供し、それらは表面張力差、細胞再編成、組織成長などの物理的要因の役割を強調しています。重要なことに、これらのメカニズムは複雑な形状の形成に十分であるため、細胞分化は小さなオルガノイドの全体的な形状を確立する際に二次的な役割を果たす可能性があります。


11月6日(水) 16時45分~18時00分
連絡先 堂寺 知成(ソフトマター物理学研究室)