Physics of Development Chaitanya Athale Outline Collec7ve - PowerPoint PPT Presentation

Physics ¡of ¡Development ¡ Chaitanya ¡Athale ¡

Outline ¡ • Collec7ve ¡morphogenesis-­‑ ¡phenomenology ¡ and ¡some ¡theory ¡ ¡

Pa<erns ¡of ¡Bacteria ¡ 1mM ¡ 2mM ¡ succinate ¡ succinate ¡ with ¡E ¡coli ¡ with ¡E ¡coli ¡ Tsr -­‑ ¡ Tsr -­‑ ¡ 3mM ¡ 3mM ¡ succinate ¡ succinate ¡ with ¡E ¡coli ¡ with ¡E ¡coli ¡ Tsr -­‑ ¡ serine ¡blind ¡ mutant ¡ ¡ Budrene ¡& ¡Berg ¡(1995) ¡Dynamic ¡forma7on ¡of ¡symmetrical ¡pa<erns ¡by ¡chemotac7c ¡bacteria ¡ ¡

• Matsuyama ¡& ¡Matsushita ¡(2001) ¡Popula7on ¡ morphogenesis ¡in ¡bacteria. ¡Forma ¡16:307-­‑326 ¡ • Morikawa ¡(2003) ¡Simula7on ¡study ¡of ¡bacterial ¡ colony ¡with ¡mul7plying ¡rods. ¡Forma ¡18:59-­‑65 ¡

Bacteria: ¡Free ¡Swimming ¡ Bacillus ¡sub7lis ¡with ¡flagella ¡ Chemotaxis ¡in ¡liquid ¡media ¡ Tumble: ¡change ¡direc7on, ¡Run: ¡straight ¡swimming ¡ Matsuyama ¡& ¡Matsushita ¡(2001) ¡Forma ¡

Swarming ¡Behaviour ¡ • Pa<erns ¡in ¡liquid ¡(Budrene ¡& ¡Berg ¡1991, ¡1995) ¡ • Surface ¡transloca7on ¡referred ¡to ¡as ¡swarming ¡ Bacteria ¡ac7vely ¡ translocate ¡by ¡flagellar ¡ rota7on ¡(C, ¡D, ¡E) ¡1-­‑3 ¡ days ¡ Spread ¡by ¡volume ¡ increase ¡of ¡colony ¡(A, ¡B) ¡ 2-­‑4 ¡weeks ¡

Dense ¡ Branching ¡ Morpholo gy ¡(DBM) ¡ Taken ¡from ¡ area ¡E ¡ (mo7le) ¡ Reminiscent ¡ of ¡a ¡class ¡of ¡ theore7cal ¡ models ¡

DBM ¡Structure ¡ inac7ve ¡ Growing ¡branch ¡ swirling ¡ Direc7on ¡ of ¡branch ¡ extension ¡ Two ¡cell ¡types: ¡(a) ¡Non-­‑mo7le ¡wall ¡and ¡7p ¡cells, ¡ (b) ¡Mo7le ¡swirling ¡cells ¡ ¡inside ¡

Chemicals ¡Inducing ¡Surface ¡ Spreading ¡ ¡ • Surface ¡ac7ve ¡agents ¡ S. ¡marcescens ¡ N38 ¡ (surfactants) ¡ • Serra7a ¡marcescens ¡ ¡ N38-­‑09 ¡mutant ¡ defec7ve ¡in ¡ surfactant ¡ “serrawe^n ¡W1” ¡ produc7on ¡ ¡

Concentric ¡Pa<erns ¡ Bacillus ¡ sub7lis ¡ (phase ¡C-­‑ ¡ high ¡ nutrient, ¡ medium ¡ s7ffness) ¡ Proteus ¡ mirabilis ¡on ¡ hard ¡agar ¡ medium ¡ Proteus ¡colony ¡dynamics ¡shows ¡ intermi<ent ¡growth ¡

Collec7ve ¡Behaviour ¡ Low ¡agar ¡concentra7on ¡ ‘Rads’ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Hard ¡agar ¡form ¡disk ¡like ¡ structure ¡

Differen7a7on ¡ Free ¡living ¡vs. ¡collec7ve ¡modes ¡of ¡migra7on ¡

Chemotaxis ¡ Minimal ¡medium ¡ agar ¡plate ¡ ¡ Central ¡disk ¡of ¡ filter ¡paper ¡with ¡ L-­‑alanine ¡(2.5 ¡ uM) ¡ ¡ Proteus ¡ inocolated ¡at ¡4 ¡ points ¡

Simula7on ¡of ¡Bacterial ¡Rods ¡ Poten7al ¡energy ¡ Simulated ¡Pa<erns ¡ Short ¡range ¡ repulsive ¡ chemotaxis ¡ ¡ Run ¡ Tubmle ¡ Viscosity ¡η 0 ¡ ¡ ¡ Φ ij ¡ Nutrient ¡ r ij =distance ¡between ¡central ¡ segments ¡of ¡two ¡rods ¡I ¡and ¡j ¡ triangular ¡la^ce ¡ l b =length ¡of ¡rod ¡ Diffusion ¡and ¡ a=radius ¡of ¡rod ¡ inges7on ¡

Swarming ¡in ¡Eukaryo7c ¡Cells ¡ • Tumour ¡growth ¡as ¡a ¡paradigm ¡

Biological ¡Case ¡Studies ¡ 1. Tumour ¡growth ¡ 2. Collec7ve ¡cell ¡behaviour ¡

Tumour ¡Growth ¡ Glioblastoma ¡mul7forme ¡(GBM) ¡ Washington University, School of Medicine

Why ¡Study ¡GBM ¡ Most ¡aggressive ¡and ¡commonest ¡form ¡of ¡human ¡ glioblastoma ¡ Death ¡ <1 ¡yr ¡ of ¡disease ¡ Mul.forme: ¡ necrosis ¡& ¡haemmorhage,pleiomorphic ¡ nuclei ¡& ¡cells, ¡gene7c ¡dele7ons, ¡amplifica7on ¡and ¡ point ¡muta7ons, ¡ ¡microvascular ¡prolifera7on ¡ Subclones ¡within ¡tumour ¡ Tumour ¡of ¡10 9 ¡cells ¡might ¡harbour ¡10 6 ¡cells ¡with ¡muta7on ¡ in ¡any ¡one ¡gene ¡ THERAPY: ¡ surgery, ¡chemo-­‑ ¡and ¡radio-­‑therapy ¡ SUCCESS: ¡ Long ¡term ¡nil ¡ Holland (2000)

A. Pre surgery B. Post-surgery and radiation-therapy C. Recurrence in 6 months at 2 sites D. Post resection of 2 tumours E. Recurrence of tumour at resection margin

Gene-­‑Protein ¡ Network ¡in ¡ GBM ¡ Qiagen

Therapeu7c ¡Approaches ¡ • Surgical ¡resec7on ¡ • Radia7on ¡and ¡chemotherapy ¡ • Mouse ¡and ¡in ¡vitro ¡models ¡ • Modified ¡viruses ¡ • An7bodies ¡against ¡EGFR, ¡PDGF, ¡Angiogenesis ¡(VEGF) ¡ • siRNA ¡ • Synthe7c ¡pep7des ¡ Understanding ¡the ¡basis ¡of ¡tumour ¡growth ¡and ¡expansion ¡

Stages ¡of ¡Tumour ¡Growth ¡

Modelling ¡Tumour ¡Growth ¡ • MRI ¡resolu7on ¡~1mm ¡ • In ¡vitro ¡and ¡mouse ¡models ¡do ¡not ¡behave ¡like ¡ human ¡ • Single ¡cell ¡events ¡lead ¡to ¡malignant ¡spread ¡ GOAL: ¡Understanding ¡of ¡tumourigenesis ¡at ¡ clinically ¡undetectable ¡stage ¡

In ¡Vitro ¡Experiments ¡ Deisboeck et al. (2001)

In ¡Vitro ¡Kine7cs ¡

Emprical ¡Models ¡

Comparison ¡ Experimental volumes ( µ m 3 ) measured in cell culture tumor spheroids

Discrete ¡Model ¡ Cell ¡as ¡automaton ¡ Leaves ¡non-­‑diffusive ¡a<ractor ¡trail ¡ Path ¡of ¡least ¡resistance ¡carved ¡in ¡ medium ¡ Square ¡la^ce ¡(128x128) ¡ a= ¡La^ce ¡constant ¡= ¡cell ¡diameter ¡ ¡ Chemotaxis: ¡Nutrient ¡ Homotype ¡a<ac7on: ¡Paracrine ¡ Sander & Deisboeck (2002)

Signalling ¡in ¡a ¡Mul7cellular ¡context ¡ Cell 1 Paracrine Autocrine Recycling Cell 2 Synthesis Degradation Signalling

Growth ¡Pa<erns ¡ Diffusive ¡growth: ¡Only ¡random ¡walk ¡ ¡ Chemotac7c ¡and ¡Homotypic ¡growth ¡ Compact ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Disperesed ¡ Chain ¡forma7on ¡ χ = chemotaxis coefficient β = drift velocity η =homotype attraction D c =cellular diffusion coefficient Sander ¡& ¡Deisboeck ¡(2002) ¡Growth ¡pa<erns ¡of ¡microscopic ¡brain ¡tumors. ¡Phys. ¡Rev. ¡E ¡66, ¡ 051901 ¡(2002) ¡

Branching ¡Pa<erns ¡ Simula7on ¡results. ¡Very ¡strong ¡ homotype ¡a<rac7on ¡and ¡very ¡strong ¡ chemotaxis ¡result. ¡ ¡ (Scale ¡approx. ¡1 ¡mm). ¡ ¡ ¡

Experimental ¡Branching ¡ & ¡7me ¡

Receptor ¡signalling ¡ Autocrine Recycling Synthesis Degradation Signalling

Mul7cellular ¡context ¡ Cell 1 Paracrine Autocrine Recycling Cell 2 Synthesis Degradation Signalling

Mul7cellular ¡mechanics ¡ Division Free Surface Migration Tumor Spheroid Cells

NEXT ¡ • Cell ¡adhesion, ¡compartmentaliza7on ¡and ¡ forming ¡a ¡hole ¡(lumen) ¡ • Epithelial ¡morphogenesis ¡ • Mesenchymal ¡morphogenesis ¡ • Pa<ern ¡forma7on: ¡segmenta7on, ¡axes ¡and ¡ asymmetry ¡

NEXT ¡ • Developmental ¡processes ¡in ¡metazoans ¡ • Cleavage ¡and ¡blastula ¡ • Cell ¡states ¡ • Cell ¡adhesion, ¡compartmentaliza7on ¡and ¡forming ¡ a ¡hole ¡(lumen) ¡ • Epithelial ¡morphogenesis ¡ • Mesenchymal ¡morphogenesis ¡ • Pa<ern ¡forma7on: ¡segmenta7on, ¡axes ¡and ¡ asymmetry ¡ • Organogenesis ¡

Scale ¡of ¡Descrip7on ¡ Molecular ¡dynamics: ¡details ¡at ¡atomic ¡and ¡molecular ¡scales ¡ ¡ Spatio-temporal scale La^ce ¡Gases ¡(cellular ¡automata) ¡ Par7al ¡differen7al ¡equa7ons: ¡pressure, ¡temperature, ¡velocity ¡

Complex ¡Systems ¡ Macroscopic ¡systems ¡with ¡many ¡interac7ng ¡ microscopic ¡objects ¡ Sophis7cated ¡stochas7c ¡methods ¡used ¡to ¡create ¡ simula7ons ¡of ¡complex ¡systems ¡ Capable ¡of ¡exhibi7ng ¡collec7ve ¡behaviour ¡and ¡ phase ¡transi7ons ¡

Physical ¡Examples ¡ Freezing ¡or ¡boiling ¡of ¡a ¡liquid ¡ ¡ Magnet ¡with ¡ferromagne7c ¡or ¡paramagne7c ¡ transi7ons ¡ ¡ Glass ¡ ¡ Liquid ¡crystals ¡