Center-based modelling of embryonic organoid development

Abstract

En els darrers anys, els organoides embrionaris s'han convertit en una eina cada cop més important per estudiar processos en la biologia del desenvolupament difícils d'explorar en embrions animals. Aquestes estructures in vitro són fàcilment reproduïbles i tenen l'avantatge de mimetitzar molts dels comportaments complexos observats en embrions reals. En aquest estudi, descrivim un model per simular el desenvolupament d'organoides embrionaris i l'implementem utilitzant CellBasedModels.jl, el paquet de Julia de modelització multicel·lular. El nostre model integra les interaccions mecàniques amb la diferenciació cel·lular, i té en compte la naturalesa estocàstica tant de les interaccions entre cèl·lules com de la diferenciació cel·lular. Presentem una visió completa de les principals simplificacions realitzades en el model matemàtic i oferim una justificació numèrica per aquestes eleccions. Finalment, utilitzem el model per simular les primeres etapes de la formació de gastruloids, analitzant els rols de la diferenciació cel·lular i l'adhesió diferencial.

In recent years, embryonic organoids have become an increasingly important tool for studying complex developmental processes that are difficult to access in actual animal embryos. These in vitro structures can be generated in a high-throughput manner and have the advantage of mimicking many intricate behaviours observed in real embryos. In this study, we describe a model to simulate the development of embryonic organoids, and implement it using CellBasedModels.jl, the Julia package for multicellular modelling. Our model integrates mechanical interactions with cellular differentiation and accounts for the stochastic nature of both cell-cell interactions and cell fate transitions. We provide a comprehensive overview of the key simplifications made in the mathematical model and offer a numerical justification for these choices. Finally, we use the model to simulate the early stages of gastruloid formation, analysing the roles of cell differentiation and differential adhesion.