Benchmarking the flow of epithelial cell monolayer with self-aligning deformable active membranes

レンガやモルタルではなく、ぷにぷにとした生きているゼリーでできた建物が立ち並ぶ、活気ある都市を想像してみてください。この都市では、すべての建物が生きており、うねったり、伸びたり、自ら前進したりすることができます。これは、私たちの体の中で起きている現象である「集団細胞移動」の世界です。皮膚の傷が治るときも、胎児が子宮の中で成長するときも、あるいは腫瘍が広がるときも、細胞はただそこに座っているわけではありません。彼らは共に、調和のとれたダンスを踊るように動いています。科学者たちは、細胞が動くためにエネルギーを燃やす小さなエンジンのようなものであることから、これを「アクティブ・マター（能動的物質）」と呼んでいます。

しかし、ここが難しいところです。細胞は硬いブロックではありません。彼らは柔らかく、ぷにぷにとしており、常に形を変えています。彼らは隣人同士でくっついたり、押し合ったり、狭い隙間を通り抜けたりします。この仕組みを理解するために、科学者たちはコンピュータモデルを構築します。これらのモデルを、物理法則のルールを操作して何が起こるかを見ることができるビデオゲームだと考えてみてください。あるゲームでは細胞を硬いビー玉のように扱い、別のゲームでは柔らかい風船のように扱います。大きな疑問は、「どのゲームのルールが、現実の乱雑でぷにぷにとした現実を最もよく模倣できるのか？」ということです。もしルールを正しく設定できれば、組織がどのように振る舞うかを予測できるようになります。これは、疾患の理解や、私たちの体がどのように修復されるかを理解する上で極めて重要です。

ここで、マルコス・パサとそのチームによる新しい研究に深く入り込んでみましょう。彼らは、「変形能を持つ能動的膜モデル（Deformable Active Membrane Model: DAMM）」と呼ばれる特定のゲームルールをテストすることに決めました。細胞を、単なる固体のボールではなく、空気で満たされた伸縮性のあるゴムバンドだと想像してみてください。このゴムバンドは、バネでつながれた小さなビーズでできています。それは、うねり、伸び、そして押しつぶされることができます。このモデルを特別なものにしているのは、「自己整列（self-alignment）」と呼ばれるルールです。多くのゲームでは、細胞は隣人に「君はどちらに進んでいるの？」と尋ねてから進む方向を決める必要があります。しかし、このモデルでは、細胞は自分が「すでに」どちらに動いているかを見て、「よし、その方向へ進み続けよう」と言うだけです。それは、地図を確認するのではなく、自分が今乗っている波に従うだけのサーファーのようなものです。

研究者たちは、このぷにぷにとした自己誘導型の細胞を、中央に巨大な円形の障害物がある仮想的なチャネル（溝）の中に置きました。これは、川の中にある岩のようなものです。彼らは、細胞の「川」がどのように岩の周囲を流れるかを調べたいと考えました。彼らは、細胞が自身の動きにどれくらい早く整列するか、細胞同士がどれくらい粘着するか、そして最初からどれくらいの強さで押されるか、という3つの主要なつまみを操作しました。

シミュレーションの結果、以下のようなことが判明しました。第一に、「自己整列」のルールが驚くほどうまく機能したことです。細胞が自分自身の勢いに従うことが許されると、細胞は非常に組織化された、まるで訓練されたマーチングバンドのような、固体に近い流れを形成しました。これは、細胞が常に隣人と確認し合わなければならない他のモデルよりも、はるかに秩序立っていました。第二に、細胞の「ぷにぷに感（変形能）」が非常に重要であることを発見しました。彼らが細胞をより柔軟にすると（硬いゴムバンドを、伸びるグミワームに変えるように）、組織全体がより速く移動しました。柔軟な細胞は、互いの間を伸ばしたり押し込んだりすることがより容易になったため、「川」が渋滞を起こすことなく障害物の周りを流れることができたのです。

最後に、チームはこの仮想の世界が現実の世界と一致するかどうかを知りたいと考えました。彼らは、コンピュータ・シミュレーションを、ラボのシャーレの中で障害物の周りを移動する実際のイヌ腎細胞（MDCK細胞）を用いた実験と比較しました。結果は素晴らしい一致を見せました！コンピュータ内の細胞の速度と方向は、皿の中の実際の細胞と非常によく似ていました。仮想の細胞は、実際の細胞と同じように障害物の周りを流れ、速度や密度の同様のパターンを作り出しました。

しかし、論文はモデルが完璧ではない点についても指摘しています。実際の実証実験では、細胞が時折、少し不均一に動き、岩の片側を通り過ぎる細胞がもう一方よりも多くなることがありました。コンピュータモデルは主に左右対称の流れを示しましたが、特定の条件下では不均一な流れを生み出すこともできました。著者らは、これが、実際の実証実験が完全な定常状態に落ち着くほど長く行われなかったため、あるいは、実際の細胞には細胞分裂や床からの摩擦を感じるといった、コンピュータモデルがまだ持っていない追加の生物学的トリックがあるためではないかと示唆しています。

要約すると、細胞を「ぷにぷにとした、自己誘導型の膜」として扱うことは、組織がどのように移動するかをシミュレートする強力な方法であることを、この論文は示しています。細胞が伸びたり形を変えたりする能力が、組織をより速く、より効率的に流すための秘密兵器であることを示唆しています。このモデルはまだ現実の完璧なコピーではありませんが、生命の最も混み合ったダンスのメカニズムを理解するための、非常に力強い一歩となっています。