On biophysical aspects of growth and dynamics of epithelial tissues

Abstract

A fundamental and unresolved question of life is how organs are formed. The shape and form of organs emerges by spatio temporally controlled division and motility of cells. As both processes are tightly coordinated, interactions amongst cells are required to ensure stability and integrity. Many genetic networks controlling the polarised cell motility or promoting cell division have been identified. Action between cells results in an increased complexity. Yet cells give rise to regular patterned organs. The form of objects and their motion is subject to physical laws. Cells are of an active character, divide and move, interesting properties for a material, with potentially new knowledge emerging from their study. Here, we perform a quantitative characterisation of two experimental models for tissue morphogenesis. Using cultured epithelial sheets we address the mechanical properties of growth control and identify regulatory mechanisms. Based on this study, we propose a phenomenological description of tissue dynamics, reproducing the observed data. Using the methods developed to understand the cultured sheet, we approach the role of mechanics in the migration of an embryonic tissue. We measure the directed motion of the tissue and show that the findings can be reproduced by coupling the biophysical model of motile cells to a dynamically regulated polarisation mechanism.

Formgebung von Organen ist ein grundlegendes, ungelöstes Problem des Lebens. Ihre Gestalt resultiert aus raumzeitlich kontrollierten Zellteilungen sowie Bewegungen von Zellen. Um mechanische Stabilität sowie Integrität des Gewebes zu gewährleisten, werden Zell-Zell Wechselwirkungen benötigt. Viele genetische Netzwerke kontrollieren die polarisierte Zellbeweglichkeit oder fördern die Zellteilung. Interaktion zwischen Zellen führt zu einer erhöhten Komplexität. Dennoch bilden sich reguläre Muster. Die Form von Objekten und deren Bewegung unterliegt physikalischen Gesetzen. Zellen sind von aktiver Art, teilen und bewegen sich, interessante Eigenschaften für ein Material, welche in neuen Erkenntnissen münden könnten. In dieser Arbeit führen wir eine quantitative Charakterisierung von zwei Modellsystemen der Morphogenese von Geweben durch. Anhand von kultivierten Epithelien behandeln wir die mechanischen Eigenschaften der Wachstumskontrolle und identifizieren Regulationsmechanismen. Darauf aufbauend, schlagen wir eine phänomenologische Modellbeschreibung für Gewebedynamik vor, welche die Beobachtungen reproduziert. Wir machen Gebrauch von diesen Methoden um die Mechanik der Migration eines embryonalen Epithels zu verstehen. Dabei messen wir die gerichtete Bewegung des Gewebes und zeigen, dass die resultierenden Daten durch Kopplung der biophysikalischen Motilitätsbeschreibung an einen dynamisch regulierten Polarisationsmechanismus reproduziert werden.