Kwantitatieve studie over de invloed van procesontwerp op de biofysische micro-omgeving in 3D celculturen.

De mechanismen waarmee biologische cellen zichzelf organiseren in multicellulaire aggregaten en weefselstructuren zijn gebaseerd op fundamentele fysische principes. Ondanks het belang ervan voor toepassingen in de biologie en de medische wetenschappen is het natuurlijk ontstaan van complexiteit in biologische systemen nog niet voldoende begrepen. Hiervoor kunnen wiskundige modellen erg behulpzaam zijn, omdat ze de belangrijkste fysische ingredi\"enten kunnen identificeren die het systeemgedrag bepalen, en omdat ze op basis hiervan kunnen voorspellen hoe complexe patronen kunnen ontstaan. Individuele-celgebaseerde modellen beschouwen cellen als afzonderlijke entiteiten die met elkaar in interactie treden, en ze beschrijven de dynamica en structuur van multicellulaire systemen door middel van een bewegingsvergelijking, die expliciet wordt ge\"integreerd. Hiermee kunnen ze licht laten schijnen op de wisselwerking tussen mechanische krachten, actief celgedrag en de eigenschappen van meercellige aggregaten.

In dit proefschrift worden nieuwe ontwikkelingen in, en toepassingen van individuele-celgebaseerde modellen gepresenteerd. Het hoofddoel is de karakterisatie van de collectieve dynamica in celaggregaten, als functie van de mechanische eigenschappen van individuele cellen, en de specifieke kenmerken van intercellulaire krachten. Een van de belangrijkste moeilijkheden voor individuele-celgebaseerde modellen vormt het in rekening brengen van celvorm. Daartoe wordt hier een nieuwe methodologie voorgesteld om willekeurige celvormen voor te stellen en mechanische krachten tussen cellen op een gedetailleerde manier te modelleren.

Vooraleerst wordt een nieuwe computationele theorie geïntroduceerd, die gebruikt kan worden om contactkrachten te berekenen tussen twee willekeurige vormen. Hiervoor wordt een uitdrukking voor de mechanische druk geïntegreerd over het oppervlak van de veelhoek die de doorsnede aflijnt tussen de twee lichamen. Het resultaat hiervan is een totale normale en tangentiële contactkracht. Als de lichamen afgerond zijn, dit wil zeggen dat de curvatuurstraal geleidelijk varieert tussen twee naburige discretisatiepunten, wordt een mechanistisch contactmodel bekomen dat gebruik kan maken van vorm-onafhankelijke materiaaleigenschappen en een drukformulering uit de klassieke Hertz-theorie. Het gebruik van deze nieuwe methodologie wordt gedemonstreerd in macro-schaal simulaties van granulair materiaal met behulp van de discrete-elementenmethode.
Voor het modelleren van adhesie kan een drukformulering op basis van Maugis-Dugdale-theorie worden gebruikt. Als tenslotte een benaderende beschrijving voor het mechanisch gedrag van het cytoskelet wordt toegevoegd, wordt een model bekomen voor vervormbare biologische cellen. Simulaties op basis van dit model worden vervolgens gebruikt om de fundamentele schalingswetten van de uitspreiding van cellen op een substraat (of op andere cellen) bloot te leggen. Een koppeling met modellen voor computationele vloeistofdynamica wordt bewerkstelligd met behulp van de "Immersed Boundary Method". Simulaties van stamcellen - afkomstig uit het menselijk periost - in een bioreactor worden gebruikt om verscheidene mechanische effecten van perfusiestroom in celcultuur voor weefselengineering te onderzoeken. In de toekomst kunnen individuele-celgebaseerde modellen gebruik maken van de hiervoor genoemde beschrijving van celvorm, om de gevolgen van zeer lokale intercellulaire krachten op de organisatie van meercellige aggregaten te voorspellen.

Om het collectief gedrag van een groot aantal cellen te modelleren worden eenvoudigere celvormen aangewend, die uitgaan van een cirkel- of bolvormige symmetrie van de interactiepotentiaal. Door een morfologische beschrijving voor de celdeling toe te voegen, wordt een model bekomen dat kan gebruikt worden om de proliferatie te simuleren in in vitro celcultuur. Voor cellen die groeien op "microbeads" - bolvormige draagstructuren die gebruikt worden als substraat voor 3D celcultuur in weefselengineering - wordt aangetoond dat een plotse toename van mechanische stress kan worden verwacht zodra de celbedekking confluentie bereikt. Ten slotte worden simulaties van grote tweedimensionale cultuursystemen voor epitheelcellen uitgevoerd. Met deze simulaties wordt dan een fysisch fasediagram opgesteld. Er wordt aangetoond dat twee fysische celeigenschappen cruciaal zijn in het bepalen van faselandschap en in het ontstaan van emergente complexe structuren: cel-cel contractiliteit, en contactinhibitie van celbeweging. Dat laatste zorgt voor grootschalig collectief migratiegedrag, zoals experimenteel wordt waargenomen bij "monolayer sheet expansion", en gepolariseerde structuren met vloeistofachtige eigenschappen. Door multicellulaire structuren te classificeren in fysische fasen worden de fundamenten gelegd voor een raamwerk dat de emergentie van complexe in vitro en in vivo weefselstructuren kan helpen verklaren.