細胞活動就像在復雜迷宮中導航，并且還受到化學信號和環(huán)境物理特征的引導。馬里蘭大學Baltimore 分校（UMBC）的研究團隊使用果蠅卵巢囊作為模型系統(tǒng)，揭示了細胞如何在機體組織迷宮中遷移，相關成果已發(fā)表于《Iscience》期刊。
研究團隊通過將數(shù)學模型與高分辨率成像技術相結合，發(fā)現(xiàn)卵巢囊的物理形狀與一種名為化學趨向劑的化學信號共同影響細胞的運動方式。
“這項研究采用數(shù)學模型與生物實驗相結合的跨學科方法，”共同作者、UMBC數(shù)學家Brad Peercy表示。“研究結果支持了這樣一種觀點：化學趨向劑的復雜分布能夠解釋遷移運動中的特定變化。”
該研究的創(chuàng)新之處在于將精確的數(shù)學模型與生物學實驗相結合，揭示了先前不可見的運動模式。
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。
該團隊研究的重點是邊緣細胞。這種細胞存在于果蠅的卵巢囊中，因為其與人類發(fā)育和基因變異相關過程相似，所以成為研究細胞遷移的理想模型。研究團隊發(fā)現(xiàn)，邊緣細胞的移動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濃度梯度驅(qū)動。相反，組織的物理結構（窄管與較寬的間隙交替）也起著關鍵作用。
“這是我們首次證實遷移行為的模式與組織幾何特征之間存在關聯(lián)，”生物學家、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，面包屑的分布會受到地形影響，導致路徑變得復雜。
為了理解這一現(xiàn)象，共同作者、UMBC博士Naghmeh Akhavan利用數(shù)學模型模擬細胞如何共同響應化學信號和組織幾何。“Alex的實驗表明，細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成像結果的確認。
實驗和數(shù)學建模這兩種方法相輔相成，各自提供獨特視角。將兩者結合在一起，“就像從兩個不同的視角揭示隱藏的事物，”George表示。“我的實驗將優(yōu)化她的模型，而她的模型將優(yōu)化我的實驗。”
“當我們的模型與Alex的實驗結果完全一致時，我們會非常高興，” Akhavan補充道。
新策略，新發(fā)現(xiàn)
細胞遷移在許多生物過程中都起著關鍵作用，這項研究的更廣泛影響在于其可能為發(fā)育生物學及其他領域提供新見解。
“關于細胞如何在環(huán)境中導航的研究，多數(shù)只關注單一的化學信號或結構信號。因此，本研究屬于首批同時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重要。”共同作者、UMBC生物學家Michelle Starz-Gaiano解釋道。通過揭示組織幾何與化學信號的相互作用機制，該研究可能為控制細胞運動提供新策略。
該團隊的工作仍在不斷發(fā)展，近期還進行了新實驗，George利用專業(yè)顯微鏡進行了新實驗，捕捉到了與化學信號相關的、此前未被觀測到的細胞動態(tài)行為。這些發(fā)現(xiàn)將進一步完善團隊的模型，為研究打開新的方向。
“我們正在從生物學和數(shù)學兩個角度開發(fā)新的實驗策略，” 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
