Tissue organization by cell collectives  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
72664
Type K
Principal investigator Czirók, András
Title in Hungarian Sejtek kollektív szövetalkotása
Title in English Tissue organization by cell collectives
Keywords in Hungarian sejtmozgás, extracelluláris állomány, képfeldolgozás, önszervezés, sejtváz mechanika, new-newtoni folyadék
Keywords in English cell migration, extracellular matrix, imaging, self-organization, cytoskeletal mechanics, non-newtonian fluids
Discipline
Biophysics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Biological Physics (Eötvös Loránd University)
Starting date 2008-04-01
Closing date 2013-03-31
Funding (in million HUF) 11.670
FTE (full time equivalent) 1.79
state closed project
Summary in Hungarian
Napjaink interdiszciplináris kutatásainak egyik nagy kihívása az, hogy hogyan alakul ki biológiai funkció a molekuláris vagy sejtes összetevõk önszervezõdésébõl? Pályázatunk vizsgálni kívánja, hogy a sejtek és a sejtek közötti anyag (extracelluláris mátrix, ECM) hogyan szervezõdik szövetekké -- hiszen az embrionális fejlõdés során a legtöbb sejt pozíciója nem elõre kódolt, és a genetikai kód sem a szervek anatómiai leírását tartalmazza.

A mozgó (önhajtott), kölcsönható egységek statisztikus elméleti vizsgálataira alapozva tanulmányozni fogjuk sejtcsoportok kollektív mozgását. Meghatározzuk a sejt-sejt és sejt-ECM kölcsönhatásoknak a mikromechanikai vonatkozásait, továbbá megvizsgáljuk, hogy a környezet mikromechanikai tulajdonságai (rugalmasság, mechanikai feszültségek, deformációk) hogyan hatnak kölcsön a sejtváz dinamikájával. A vizsgálatokat sejttenyészetekben, a fejlõdés korai szakaszában lévõ madárembriókban és új generációs mesterségses szövetek elektro-szõtt (electrospun) alkotóival végezzük. A tervezett kutatás fejlett fénymikroszkópos technikákat, mikro-skálájú mechanikai vizsgálatokat, valamint számottevõ elméleti modellezést alkalmaz -- a pályázó mindhárom területen szerzett tapasztalatokat. A sikeres kutatási program hozzájárulna a tudomány egyik régi kérdésének, a sejtek önszervezõdésének megértéséhez, továbbá számos támpontot szolgáltatna olyan mesterséges szövetek létrehozásához, amelyek nem csak bio-kompatibilisek, hanem sejtcsoportok biztosítják aktív fenntartásukat.

A tervezett kutatást az ELTE Biológiai Fizika tanszékén végeznénk, és az több szálon kapcsolódna rangos amerikai kutatóhelyek munkájához is. A támogatásból mûködtetett mesterséges szövet laboratórium Magyarországon egyedi kutatásokat végezne, és lehetõvé tenné diákok és doktoranduszok bekapcsolódását a biológiai fizika ezen gyorsan fejlõdõ ágába.
Summary
In the current era of interdisciplinar research, a major challenge is to understand the emergence of form and function at the molecular, cellular, or tissue levels of organization. This proposal focuses on how cells and extracellular matrix (ECM) are self-organizing into functional tissues. During the assembly process information on individual cell position is usually not directly specified, and genetic information does not code cell behavior or organ anatomy as a blueprint. Rather, the system-level behavior is a byproduct of the interaction among the components.

Based on new theoretical understanding on the collective behavior of motile, autonomous agents, we will study collective cell motility. We will investigate the micromechanical aspects of cell-cell and cell-ECM connections, and how they interact with cytoskeletal changes underlying cell motility. We will study the multicellular coordination during ECM organization and also estimate the material properties, intrinsic stresses and stress relaxation parameters of the emerging structures, in vitro, in vivo, and in electrospun biodegradable artificial tissue scaffolds. The proposed studies rely on advanced imaging, micro-scale mechanical testing, and substantial theoretical modeling -- with the PI having a proven track reckord in these fields. A successful research project would contribute to the understanding of one of the oldest problems of science, namely, how multicellular tissues form. It would also lay the foundations for advanced tissue engineering designing and building artificial tissues which are not only bio-compatible, but are actively maintained by a cell population.

The project is based at Eotvos University, but certain aspects will involve collaboration with research institutions in the USA. The resulting tissue-mechanical laboratory will offer unique advanced research possibilities, and will contribute to the training of young scientist in the fast developing field of biological physics.




 

Final report

  
Results in Hungarian
- Felállítottuk a kollektiv sejtáramlás prediktív modelljét amely kísérletileg ellenőrizhető összefüggéseket jósol a sejtmozgás perzisztenciája, a sejtpolarizáció, a sejtadhézió és a kialakuló áramlás térbeli korrelációs tulajdonságai között. - Sejtek és a környező extracelluláris mátrix (ECM) mozgásásnak összevetéséből kidolgoztunk egy numerikus eljárást amely segítségével elkülöníthető az aktív sejtmozgás a nagyskálájú, konvektív szövetmozgásoktól. - Megmutattuk, hogy a szívfejlődés során meghatározó szerepe van a konvektív szövetmozgásoknak. Ezek hajtóerejéhez jelentős mértékben hozzájárul a differenciálódó szívizomsejtek aktív összehúzódása illetve görbülése. - A sejtek és a környező ECM kölcsönhatásait számítógépes modellrendszeren, és tumorsejtek háromdimenziós gélbe történő inváziójának elemzésével vizsgáltuk. A fenti eredményekre támaszkodva megalkottuk és elemeztük a soksejt-ECM rendszer háromdimenziós modelljét.
Results in English
-We develped a predictive quantitative model for collective cell sheet migration. The model links cellular level parameters such as persistence of motion and polarity, or intercellular adhesion -- with spatial correlations of the emergent multicellular flow. - Comparing cell displacements with that of the adjacent extracellular matrix (ECM), we developed a numerical method to distinguish active cell migration from the convective flow resulted by large scale tissue deformations. - We have established the importance of convective tissue flows during early heart morphogenesis. We have shown that myocardial progenitors contribute to the driving forces by active contraction and curling. - The interaction between cells and the surrounding ECM was studied in vitro in a collagen invasion assay of tumor spheroids. We proposed a mechanically sound computational model for 3D cell-ECM assemblies.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=72664
Decision
Yes





 

List of publications

  
Harangozó József Gábor: Sejtek által kifejtett erők analízise 3D optikai mikroszkópos szeletek alapján, ELTE, Biológiai Fizikai Tanszék, szakdolgozat, 2009
András Szabó, András Czirók: The Role of Cell-Cell Adhesion in the Formation of Multicellular Sprouts, Math Model Nat Phenom. 2010 January 1; 5(1): 106. /NIH public access ID: PMC2822353, 2010
Andras Szabo, Renata Unnep, Elod Mehes, Waleed Twal, Scott Argraves, Yihai Cao, Andras Czirok:: Collective cell motion in endothelial monolayers, Phys. Biol, 2010
Kósa Edina: Érhálózatok kialakulásának kísérleti vizsgálata, ELTE, Biológiai Fizikai Tanszék, szakdolgozat, 2010
Varga Katalin: Sejtmozgások modellezése extracelluláris mátrix környezetben, ELTE, Biológiai Fizikai Tanszék, B. Sc. szakdolgozat, 2010
Andras Szabo, Paul Rupp, Brenda Rongish, Charles D Little, Andras Czirok: Extracellular matrix fluctuations during early embryogenesis, Phys. Biol. 8(4):45006., 2011
Szabó András: Empirical and computational study of vasculogenesis, ELTE, Biológiai Fizikai Tanszék, Ph D dolgozat, 2011
Szabó B, Ünnep R, Markó K, Környei Z, Méhes E, Czirók A.: Inhibition of myosin II triggers morphological transition and increased nuclear motility., Cytoskeleton; 68(6):325-39, 2011
Czirok A, Rongish BJ, Little CD.: Vascular Network Formation in Expanding versus Static Tissues: Embryos and Tumors., Genes Cancer.2(12):1072-80, 2011
Aleksandrova A, Czirok A, Szabo A, Filla MB, Hossain MJ, Whelan PF, Lansford R, Rongish BJ: Convective tissue movements play a major role in avian endocardial morphogenesis., DEVELOPMENTAL BIOLOGY 363:(2) 348-361., 2012
Szabo A, Varga K, Garay T, Hegedus B, Czirok A: Invasion from a cell aggregate-the roles of active cell motion and mechanical equilibrium., PHYSICAL BIOLOGY 9:(1) Paper 016010., 2012
Czirok A, Little CD.: Pattern formation during vasculogenesis., Birth Defects Res C, 2012
Varga Katalin: Sejtrétegek belső mozgásának modellezése, ELTE, Biológiai Fizika Tanszék, 2012
Andras Czirok, Katalin Varga, Elod Mehes, Andras Szabo: Collective cell streams in epithelial monolayers depend on cell adhesion., New Journal of Physics, 15: 075006, 2013
Tamás Márton Garay, Éva Juhász, Eszter Molnár, Maria Eisenbauer, András Czirók, Barbara Dekan, Viktória László, Mir Alireza Hoda, Balázs Döme, József Tímár, Walter Klepetko, Walter Berger; Balazs Hegedus: Cell migration or cytokinesis and proliferation? - revisiting the "go or grow" hypothesis in cancer cells in vitro., Exp. Cell. Res., 2013
Czirok A.: Endothelial cell motility, coordination and pattern formation during vasculogenesis., Wiley Interdiscip Rev Syst Biol Med. 5(5):587-602., 2013
Katalin Varga, Edina Kosa, and Andras Czirok.: Endothelial cell sheet motion is controlled by the persistence of cell polarity and the in-plane shear between cells., Phys. Biol (közlésre elküldve), 2014
P.A. Rupp, E. Kosa, and A. Czirok.: Fibronectin dynamics during vasulogenesis., Dev. Biol. (közlésre elküldve), 2014
A. Aleksndrova, A. Czirok, E. Kosa, O. Galkin, T. Cheuvront, and B. Rongish.: The endoderm and myocardium join forces to drive early heart assembly: computational modeling confirms distinct roles for both tissues in mediating heart field movements., Development (közlésre elküldve), 2014
E. Mones, A. Czirok and T. Vicsek: Role of active movement in cell segregation., Phys Rev X (közlésre elküldve), 2014
D. Lakatos, J. Vivian, and A. Czirok.: Autocrine FGF signaling yields expression heterogeneity of the pluripotency gene Nanog., PLOS Computational Biology (közlésre elküldve), 2014



Back »