細胞活動(dòng)就像在復雜迷宮中導航，并且還受到化學(xué)信號和環(huán)境物理特征的引導。馬里蘭大學(xué)Baltimore 分校（UMBC）的研究團隊使用果蠅卵巢囊作為模型系統，揭示了細胞如何在機體組織迷宮中遷移，相關(guān)成果已發(fā)表于《Iscience》期刊。

研究團隊通過(guò)將數學(xué)模型與高分辨率成像技術(shù)相結合，發(fā)現卵巢囊的物理形狀與一種名為化學(xué)趨向劑的化學(xué)信號共同影響細胞的運動(dòng)方式。

“這項研究采用數學(xué)模型與生物實(shí)驗相結合的跨學(xué)科方法，”共同作者、UMBC數學(xué)家Brad Peercy表示。“研究結果支持了這樣一種觀(guān)點(diǎn)：化學(xué)趨向劑的復雜分布能夠解釋遷移運動(dòng)中的特定變化。”

該研究的創(chuàng )新之處在于將精確的數學(xué)模型與生物學(xué)實(shí)驗相結合，揭示了先前不可見(jiàn)的運動(dòng)模式。

追蹤線(xiàn)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(diǎn)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(lèi)發(fā)育和基因變異相關(guān)過(guò)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，邊緣細胞的移動(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)濃度梯度驅動(dòng)。相反，組織的物理結構（窄管與較寬的間隙交替）也起著(zhù)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(guò)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(jiàn)，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，導致路徑變得復雜。

為了理解這一現象，共同作者、UMBC博士Naghmeh Akhavan利用數學(xué)模型模擬細胞如何共同響應化學(xué)信號和組織幾何。“Alex的實(shí)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(shuō)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(shí)驗和數學(xué)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(gè)不同的視角揭示隱藏的事物，”George表示。“我的實(shí)驗將優(yōu)化她的模型，而她的模型將優(yōu)化我的實(shí)驗。”

“當我們的模型與Alex的實(shí)驗結果完全一致時(shí)，我們會(huì )非常高興，” Akhavan補充道。

新策略，新發(fā)現

細胞遷移在許多生物過(guò)程中都起著(zhù)關(guān)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(xué)及其他領(lǐng)域提供新見(jiàn)解。

“關(guān)于細胞如何在環(huán)境中導航的研究，多數只關(guān)注單一的化學(xué)信號或結構信號。因此，本研究屬于首批同時(shí)考量?jì)烧呒捌湎嗷ビ绊懙难芯恐?，這在許多生物過(guò)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(guò)揭示組織幾何與化學(xué)信號的相互作用機制，該研究可能為控制細胞運動(dòng)提供新策略。

該團隊的工作仍在不斷發(fā)展，近期還進(jìn)行了新實(shí)驗，George利用專(zhuān)業(yè)顯微鏡進(jìn)行了新實(shí)驗，捕捉到了與化學(xué)信號相關(guān)的、此前未被觀(guān)測到的細胞動(dòng)態(tài)行為。這些發(fā)現將進(jìn)一步完善團隊的模型，為研究打開(kāi)新的方向。

“我們正在從生物學(xué)和數學(xué)兩個(gè)角度開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗策略，” Starz-Gaiano表示，“所以我們期待這將為未來(lái)的研究帶來(lái)新的發(fā)展方向。”

期刊：iscience

DOI：10.1016/j.isci.2025.111959