一项新研究结合了数学建模和先进成像技术，发现果蝇卵巢室的物理形状与化学信号结合，显著影响细胞的运动。细胞迁移在伤口愈合、免疫反应和癌症转移中至关重要，因此这项工作有潜力推动一系列医学治疗的发展。
想象细胞在复杂的迷宫中穿行，由化学信号和环境的物理景观引导。马里兰大学巴尔的摩县分校（UMBC）的一组研究人员对细胞如何在身体组织的迷宫中移动或迁移做出了重要发现，使用果蝇卵巢室作为模型系统。潜在的影响包括对癌症等疾病的更好理解和推动医学治疗的发展。
该研究发表在iScience上，团队结合了生物实验和数学，揭示了细胞迁移的新见解。通过将数学建模与先进成像相结合，团队发现卵巢室的物理形状，以及被称为趋化因子的化学信号，显著影响细胞的运动。
“这篇论文采取了跨学科的视角，数学框架与实验设计之间紧密合作，”UMBC数学家兼共同作者布拉德·皮尔西表示。“研究结果促进了这样一种观点：化学吸引物的复杂分布可以解释迁移运动中的具体变化。”
皮尔西的热情突出了该研究的创新方法，将精确的数学模型与实际的生物实验结合起来，揭示了以前不可见的模式。
跟踪面包屑
团队的工作集中在边缘细胞上，这是一种在果蝇卵巢室中的细胞类型，因为它们与人类发育和疾病中过程的相似性而成为研究细胞迁移的模型系统。团队发现，边缘细胞的运动不仅仅是由卵巢室一端到另一端不断增加的化学浓度驱动的，正如早期模型所建议的。相反，组织的物理结构–窄管道交替着更宽的间隙–发挥了至关重要的作用。
“这是我们第一次描述到这些迁移行为的模式最终与组织几何形状的方面相关联，”生物学家亚历克斯·乔治补充道，他是共同作者，2024年在UMBC获得博士学位，并将在几周后开始达特茅斯大学盖泽尔医学院的博士后研究。他将这一迁移过程比作汉塞尔和格蕾特在森林中跟踪面包屑：在平坦的草原上，路线清晰，但在有深壑和山谷的地形中，面包屑以意想不到的方式聚集，复杂化了路径。
为了理解这一点，完成博士学位的共同作者纳赫梅·阿卡万开发了数学模型，模拟细胞如何对化学信号和组织几何结构共同作出反应。“亚历克斯的实验表明，速度并不是以前模型所展示的那样，”她说。她的模型揭示，细胞在窄管道中加速，而在较大间隙中减速，这一模式得到了乔治成像的确认。
这两种方法–湿实验和建模–为工作带来了独特的优势。将它们结合在一起“就像从两个不同的角度揭示不可见的东西，”乔治表示。“我的实验会完善她的模型，而她的模型也会完善我的实验。”
然后，“当我们的模型准确显示出亚历克斯实验中发现的结果时，我们非常喜欢这样，”阿卡万补充道。
新策略，新发现
这项研究的更广泛影响在于，其有潜力为发展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。
“关于细胞如何在世界中导航的大多研究仅关注化学信号或结构信号，因此这是第一批考虑这两者如何相互影响的研究之一，这在许多情况下很可能是相关的，”UMBC生物学家兼共同作者米歇尔·斯塔兹-盖亚诺解释道。通过展示组织几何和化学信号如何相互作用，这项研究可能为通过医学治疗控制细胞运动提供新的策略。
团队的工作持续发展，包括最近在弗吉尼亚州贾内利亚研究园区的高级成像中心进行的实验，在那里乔治使用特殊显微镜捕捉了相关趋化因子的以前未见动态。这些发现将进一步完善团队的模型，为研究开辟新的途径。
“我们在生物学和数学方面都在开发新的实验策略，”斯塔兹-盖亚诺表示，“因此很高兴看到这将带我们去哪里。”
