細(xì)胞活動(dòng)就像在復(fù)雜迷宮中導(dǎo)航，并且還受到化學(xué)信號和環(huán)境物理特征的引導(dǎo)。馬里蘭大學(xué)Baltimore 分校（UMBC）的研究團(tuán)隊(duì)使用果蠅卵巢囊作為模型系統(tǒng)，揭示了細(xì)胞如何在機(jī)體組織迷宮中遷移，相關(guān)成果已發(fā)表于《Iscience》期刊。
研究團(tuán)隊(duì)通過將數(shù)學(xué)模型與高分辨率成像技術(shù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)卵巢囊的物理形狀與一種名為化學(xué)趨向劑的化學(xué)信號共同影響細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)方式。
“這項(xiàng)研究采用數(shù)學(xué)模型與生物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的跨學(xué)科方法，”共同作者、UMBC數(shù)學(xué)家Brad Peercy表示。“研究結(jié)果支持了這樣一種觀點(diǎn)：化學(xué)趨向劑的復(fù)雜分布能夠解釋遷移運(yùn)動(dòng)中的特定變化。”
該研究的創(chuàng)新之處在于將精確的數(shù)學(xué)模型與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，揭示了先前不可見的運(yùn)動(dòng)模式。
追蹤線索
圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1075412
圖片信息：果蠅卵室的顯微鏡圖像。
該團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)是邊緣細(xì)胞。這種細(xì)胞存在于果蠅的卵巢囊中，因?yàn)槠渑c人類發(fā)育和基因變異相關(guān)過程相似，所以成為研究細(xì)胞遷移的理想模型。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，邊緣細(xì)胞的移動(dòng)并非如早期模型所示，僅由從卵室一端指向另一端的遞增化學(xué)濃度梯度驅(qū)動(dòng)。相反，組織的物理結(jié)構(gòu)（窄管與較寬的間隙交替）也起著關(guān)鍵作用。
“這是我們首次證實(shí)遷移行為的模式與組織幾何特征之間存在關(guān)聯(lián)，”生物學(xué)家、UMBC博士Alex George解釋道。他將這一遷移過程比作Hansel 與 Gretel 在森林中追蹤面包屑：在平坦的地面上，路徑清晰可見，但在有峽谷和山谷的地形中，面包屑的分布會(huì)受到地形影響，導(dǎo)致路徑變得復(fù)雜。
為了理解這一現(xiàn)象，共同作者、UMBC博士Naghmeh Akhavan利用數(shù)學(xué)模型模擬細(xì)胞如何共同響應(yīng)化學(xué)信號和組織幾何。“Alex的實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞的速度變化模式與既有模型描繪的模式不符。變化模式與既有模型描繪的模式不符。”她說道。她的模型揭示：細(xì)胞在窄管中加速，在較大間隙中減速，這一模式得到了George成像結(jié)果的確認(rèn)。
實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模這兩種方法相輔相成，各自提供獨(dú)特視角。將兩者結(jié)合在一起，“就像從兩個(gè)不同的視角揭示隱藏的事物，”George表示。“我的實(shí)驗(yàn)將優(yōu)化她的模型，而她的模型將優(yōu)化我的實(shí)驗(yàn)。”
“當(dāng)我們的模型與Alex的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致時(shí)，我們會(huì)非常高興，” Akhavan補(bǔ)充道。
新策略，新發(fā)現(xiàn)
細(xì)胞遷移在許多生物過程中都起著關(guān)鍵作用，這項(xiàng)研究的更廣泛影響在于其可能為發(fā)育生物學(xué)及其他領(lǐng)域提供新見解。
“關(guān)于細(xì)胞如何在環(huán)境中導(dǎo)航的研究，多數(shù)只關(guān)注單一的化學(xué)信號或結(jié)構(gòu)信號。因此，本研究屬于首批同時(shí)考量兩者及其相互影響的研究之一，這在許多生物過程中都至關(guān)重要。”共同作者、UMBC生物學(xué)家Michelle Starz-Gaiano解釋道。通過揭示組織幾何與化學(xué)信號的相互作用機(jī)制，該研究可能為控制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)提供新策略。
該團(tuán)隊(duì)的工作仍在不斷發(fā)展，近期還進(jìn)行了新實(shí)驗(yàn)，George利用專業(yè)顯微鏡進(jìn)行了新實(shí)驗(yàn)，捕捉到了與化學(xué)信號相關(guān)的、此前未被觀測到的細(xì)胞動(dòng)態(tài)行為。這些發(fā)現(xiàn)將進(jìn)一步完善團(tuán)隊(duì)的模型，為研究打開新的方向。
“我們正在從生物學(xué)和數(shù)學(xué)兩個(gè)角度開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)策略，” Starz-Gaiano表示，“所以我們期待這將為未來的研究帶來新的發(fā)展方向。”
期刊：iscience
DOI：10.1016/j.isci.2025.111959
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