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.2014年6月12日；9（6）：e99116。
doi:10.1371/journal.pone.0099116。 2014年电子收集。

CellFIT:使用曲线单元边界的单元力引用工具包

G韦恩·布罗德兰 1, 吉姆·维尔德胡斯（Jim H Veldhuis） 1, 史蒂文·金 1, 马修·佩罗内 1, 大卫·马斯伯恩 2, M Shane Hutson女士 三
附属机构

CellFIT:使用曲线单元边界的单元力引用工具包

G韦恩·布罗德兰等。 公共科学图书馆一号. .

摘要

机械力在从胚胎发生到癌症转移的广泛生物过程中起着关键作用，人们对直观的问题“细胞力能从细胞形状推断出来吗？”有相当大的兴趣，尽管一些小组对这个令人兴奋的问题提出了肯定的答案，在方程结构、解的唯一性和噪声敏感性方面，仍然存在一些令人不安的问题。在这里，我们表明，这些问题背后的机械和数学因素可以通过使用弯曲的单元边而不是直线边来解决。我们提出了一个新的力引用方程和评估工具包，并表示这个新包CellFIT，即细胞力推断工具包。在这种方法中，图像中的细胞被分割，并且仅基于边缘张力和边缘接近每个连接的极限角度，为每个三重连接构造平衡方程。由此产生的张力方程组通常是超定的。因此，即使由于长度短、清晰度差、图像清晰度或其他因素需要从分析中删除少量边缘，也可以获得解决方案。求解这些方程会产生一组相对的边缘张力，其缩放必须根据图像外部的数据确定。在细胞内压力也很重要的情况下，构建拉普拉斯方程来关联边缘张力、曲率和细胞压差。该系统通常也过于确定，其解决方案产生一组压力，其偏移需要参考周围介质、开放伤口或图像外部的信息。我们表明，条件数、残差分析和标准误差可以提供有关推断力和压力的置信信息。将CellFIT应用于几种活的和固定的生物组织，可以发现细胞群内的力具有相当大的可变性，种群之间存在显著差异，异型边界的张力升高。

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竞争利益：提交人声明，不存在相互竞争的利益。

数字

图1
图1。合成平面骨料及其CellFIT分析。
(A类)显示了一个由50个完整单元、177个完整边和30个部分单元组成的代表性区域，以及取自较大骨料的相应不完整边。如彩色阴影所示，将其细胞分为三种类型之一，并使用有限元模型确定其退火状态，如图所示。边缘张力按其类型5∶6∶7∶10∶11∶12分配如下值。(B类)显示了提供给CellFIT算法的拓扑和几何信息。光谱如所示(C类)提供图中其余部分所用张力和压力颜色的图例(D类)显示了由有限元退火过程确定的地面真实标准张力和压力，并使用方程式16及其相关文本进行提取。(E类)显示了CellFIT的标准Polyarc版本仅基于（B）中的数据计算的值。(F类)显示了仅使用直边计算三联点角度所得的结果。(G公司)和(H（H）)当CellFIT输入数据中分别引入2级或5级噪声时，显示CellFIT结果。噪音水平为x个对应于x个角度误差度和x个%曲率误差。(我)显示了将原始网格转换为图像并在分析之前重新数字化后获得的CellFIT结果。
图2
图2。平衡考虑。
(A类)显示了弯曲的单元边缘和作用于它的力，而(B类)显示了边缘张力、曲率和压力之间的关系。具体来说，压差Δ第页产生一个力公式图像在中年-方向。这个力必须由张力γ的垂直分量来平衡。这样我们就有了公式图像简化后给出公式图像拉普拉斯方程。(C类)显示了作用于典型三重连接处的力，而(D类)显示了作用在被梁作用约束为保持直线的边上的力，如文本中所述。
图3
图3。张力方程通常过于确定。
几何考虑表明，张力方程在比例因子（见正文）范围内得到了充分确定(A类、和B类). 封闭完整单元格时(C类)随着更多的细胞变得完全封闭，它们通常会变得越来越过分(D类和E类)，尽管仍然需要图像外部的缩放信息。
图4
图4。压力方程通常过于确定。
随着细胞数量的增加和细胞获得多个邻居，压力方程变得越来越确定(A类到E类). 即使系统看起来过于确定(D类和E类)，仍需要外部数据来确定压力偏移（见正文）。
图5
图5。活体羊背部闭合早期羊膜浆膜/外表皮边界附近细胞的CellFIT分析果蝇胚胎，如在（A）中成像的，并根据色条推断出在（B）中所示的标准张力和压力。
羊膜浆膜从左下角到右上角可见一条宽带，而侧表皮可通过其较小的细胞识别，局限于左上角的一个大三角形内。这两个组织之间的边界用黑色箭头表示。蓝色和绿色箭头指向文本中讨论的功能。总的来说，CellFIT方程条件良好，张力和压力条件数分别为30.3和15.6。张力和压力残差在（B）中显示为分别从每个三重结发出并平分每个单元边缘的细线。对这些残差进行缩放，以便等于平均张力的残差具有等于平均单元半径的长度。即使在这种缩放比例下，残差通常也很小，许多残差几乎无法识别。最后，按边界类型分别显示了单个张力和压力（C）和（D）的置信限。点和条分别表示最佳估计+/-一个标准误差（基于协方差矩阵）。这些置信极限是推断出的紧张局势和压力的一个重要但适度的部分。此前的研究表明，羊膜浆膜边缘存在一条统一的高压棉线，但CellFIT揭示了一个更复杂和有趣的情况。有关详细信息，请参阅正文。
图6
图6。CellFIT对一个活体机翼影像盘的分析果蝇幼虫。
(A类)显示了根据参考图4D推断的标准张力。张力方程条件良好（条件编号为11.1），置信限可接受，力残差略大于前一种情况。黑色箭头(A类)指出影像盘内隔室之间的边界。(B类)表明沿着该边界的力往往高于其他地方的力（另见正文）。由于无法从源图像中获得边界曲率，因此未计算压力。
图7
图7。对蜻蜓翅膀图像的CellFIT分析，如汤普森的图162所示论生长与形态.
（A） 显示了推断的标准张力和压力。CellFIT方程条件良好（张力和压力条件数分别为16.7和13.9），残差非常小，张力和压力的置信限是可以接受的（B和C）。如文中所述，沿着纹理（用箭头表示）的张力明显高于沿着其他单元边缘的张力。此示例表明，CellFIT可以从历史图像或固定或非生物组织中提取有用信息。
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    1. Martin AC（2010）《脉动与稳定：形态发生背后的收缩力》。Dev Biol公司341:114–125。-公共医学
    1. Dahmann C、Oates AC、Brand M（2011），组织发育中的边界形成和维护。《Nat Rev Genet》12:43–55。-公共医学
    1. Fernandez-Gonzalez R，Simoes Sde M，Roper JC，Eaton S，Zallen JA（2009），肌球蛋白II动力学受插入细胞张力的调节。开发小组17:736–743。-项目管理咨询公司-公共医学

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