想象一下，细胞在复杂的迷宫中导航，受到化学信号和环境物理景观的引导。马里兰大学巴尔的摩县分校（UMBC）的一个研究团队对细胞如何在身体组织迷宫中移动或迁移做出了重要发现。这项研究使用果蝇卵室作为模型系统，其潜在影响包括更好地理解癌症等疾病，并推进医学治疗。
该团队的研究发表在《iScience》杂志上，结合了生物学实验和数学方法，揭示了细胞迁移的新见解。通过将数学建模与高级成像技术相结合，研究团队发现卵室的物理形状与称为趋化剂的化学信号共同显著影响细胞的运动。
“这篇论文采取了跨学科的方法，紧密合作于数学框架和实验设计之间，”UMBC数学家兼合著者Brad Peercy说。“研究结果支持了复杂化学吸引剂分布可以解释特定迁移模式变化的观点。”
Peercy的热情突显了该研究的创新方法，即结合精确的数学模型和实际生物实验，揭示以前看不见的模式。
跟随面包屑
该团队的工作重点是果蝇卵室中的边界细胞，这些细胞是一个研究细胞迁移的模型系统，因为它们与人类发育和疾病过程相似。研究团队发现，边界细胞的运动不仅由卵室一端到另一端连续增加的化学浓度驱动，如早期模型所建议的那样。相反，组织的物理结构——狭窄的管状区域交替着较宽的间隙——起着关键作用。
“这是我们第一次表征出这种迁移行为模式，最终与组织几何结构的某些方面相关联，”生物学家Alex George解释道，他是合著者之一，在2024年完成了他在UMBC的博士学位，并将在几周后开始在达特茅斯盖塞尔医学院的博士后研究。他将迁移过程比作汉赛尔和格蕾特跟随面包屑穿越森林：在平坦的平原上，路径是清晰的，但在有峡谷和山谷的地形中，面包屑会以意想不到的方式积聚，使路径变得复杂。
为了理解这一点，合著者Naghmeh Akhavan在今年春天完成了她在UMBC的数学博士学位，她开发了数学模型，模拟细胞如何同时响应化学信号和组织几何结构。“Alex的实验表明，速度并不完全符合先前模型所显示的那样，”她说。她的模型揭示了细胞在狭窄管状区域加速，在较大间隙中减速，这一模式得到了George成像的证实。
这两种方法——湿实验室实验和建模——都为研究带来了独特的优势。将它们结合起来“就像从两个不同的角度揭开看不见的东西，”George说。“我的实验会改进她的模型，而她的模型也会改进我的实验。”
然后，“当我们的模型显示出与Alex在实验中发现的一致时，我们非常高兴，”Akhavan补充道。
新策略，新发现
该研究的更广泛影响在于它可能为发育生物学以外的领域提供信息。细胞迁移在伤口愈合、免疫反应和癌症转移等过程中至关重要。
“大多数关于细胞如何导航世界的研究只关注化学信号或只关注结构因素，因此这是最早考虑这两者如何相互影响的研究之一，这在许多情况下可能是相关的，”UMBC生物学家兼合著者Michelle Starz-Gaiano解释道。通过展示组织几何结构和化学信号如何相互作用，这项研究可能会指导通过医学治疗控制细胞运动的新策略。
该团队的工作仍在继续发展，包括最近在弗吉尼亚州Janelia研究园区的高级成像中心进行的实验，George在那里使用专门的显微镜捕捉到了之前未见过的相关趋化剂的动力学。这些发现将进一步完善团队的模型，开辟新的研究途径。
“我们正在开发新的实验策略，包括生物学和数学方面的，”Starz-Gaiano说，“所以看看这将带我们走向何方将会很令人兴奋。”
(全文结束)
