Cells frequently exist in clusters throughout the body and establish a boundary to the surrounding environment in various pathophysiological processes. For instance, heterotypic cells differentiate into a certain tissue by forming and maintaining a boundary during development, and the wound presents the boundary between cells and vacant matrixes. The boundary is an intriguing domain with a sharp asymmetry caused by differences between the internal conditions within the cell cluster and the external environment, which may include heterotypic neighbors or empty spaces. Biophysical asymmetry at the boundary can alter cellular behaviors because the cell is an active matter that exhibits dynamics in response to its environment. Motility and forces, two key dynamic quantities in cellular responses, are intricately entangled to determine tissue-scale phenotypic changes. To decode the complex correlations between boundary asymmetry and cell behaviors, various boundaries of the cell clusters were investigated by utilizing microscopic image-based visualization techniques for motions and stresses. The collective cell migration behavior was first identified as being regulated by the geometry of the free boundary, and then the propagation of boundary movement into the interior cells was also analyzed. Finally, the physical interfaces between heterotypic cells were investigated as another type of external boundary of cell clusters. All these suggested approaches have a certain potential for spatiotemporally quantifying cellular functions during the development step of disease models and cell therapies. The quantified information on cellular dynamics will serve as the foundation for data-driven cell evaluation technology.
세포는 체내에서 주로 군집 형태로 존재하며 병·생리 현상에서 외부 환경과의 경계를 형성하게 된다. 가령, 배아는 이종 세포 간 경계를 형성 및 유지하여 특정한 조직으로 분화하며, 상처는 세포와 빈 공간 사이에 경계를 형성한다. 이때, 경계는 군집세포의 외부와 내부 환경간의 차이에 의해 급격한 비대칭성을 갖는다. 세포는 에너지 소모를 통해 기계적 거동을 갖는 동적물질 이기에 생∙물리적 비대칭성은 세포 거동에 변화를 야기할 수 있다. 기계적 거동은 세포의 이동성과 견인력 혹은 주변 세포로의 장력과 같은 힘으로 구분되며, 이들은 복합적으로 종속되어 조직단위의 세포 표현형 변화를 유도한다. 본 학위 논문은 군집세포의 경계에서 발생하는 급격한 세포 표현형 변화를 이미지 기반의 세포 거동 가시화 기법을 통해 이해하는 것을 목표로 다양한 경계를 관찰했다. 먼저, 경계의 형상에 따른 군집 세포 이동성의 변화를 확인하였고, 둘째로, 경계에서 시작된 군집세포의 이동성 전파를 분석하였으며, 마지막으로 이종 세포 사이의 경계가 갖는 물리적 특성을 연구하였다. 본 연구에서 밝힌 세포 군집 거동은 질병 모델이나 세포 치료제 등의 개발단계에서 세포의 기능을 효과적으로 정량화 할 수 있으며, 특히 시공간 차원의 정량화 정보는 추후 빅데이터 기반의 세포 평가기술의 초석이 될 것으로 확신한다.
