利用計算建模和實驗技術(shù)的結(jié)合，研究團隊開發(fā)了關(guān)于細胞間通訊如何影響胚胎干細胞集落隨時間的分化的新信息。通過提供關(guān)于細胞間通訊作用的新信息，該研究可以更好地理解多細胞類器官如何從獨立細胞的集落形成。該信息可以導致控制多細胞構(gòu)建體如何發(fā)展的新方法，并且可以在再生醫(yī)學，藥物測試和其他研究領(lǐng)域中應(yīng)用。

這項研究是佐治亞理工學院與格拉德斯通研究所合作的結(jié)果，并于10月5日在Nature Communications雜志上發(fā)表。國家科學基金會(NSF)綜合蜂窩系統(tǒng)科學技術(shù)中心(EBICS)的應(yīng)急行為支持了這項研究。

“目標是控制像這樣的細胞系統(tǒng)，指導組織采取不同的表型，發(fā)展成不同的復雜混合物，并自我組裝并形成非常復雜的結(jié)構(gòu)，”Melissa Kemp說，他是一名副教授。華萊士H.庫爾特喬治亞理工學院和埃默里大學生物醫(yī)學工程系。“為了開發(fā)可用作篩選藥物替代品的組織或作為治療目的的最終植入物，我們需要如何正確控制和指導它們。”

科學家認為干細胞分化的模式會影響最終從分化過程中出現(xiàn)的細胞類型。

盡管在進化的多細胞系統(tǒng)中局部細胞間相互作用的重要性，但對整個系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)其形態(tài)過程知之甚少。為了更多地了解這一點，該論文的第一作者Chad Glen研究了相鄰細胞之間的通信如何通知這些細胞的命運。除了理解這種交流之外，格倫還發(fā)現(xiàn)了一種“制動”分化速率的潛在機制，而不會影響所得多細胞組織的整體模式。

“緊密耦合的細胞之間的協(xié)調(diào)量讓我們了解它們?nèi)绾巫鳛橐粋€群體工作，”格拉德斯通研究所的高級研究員，舊金山加利福尼亞大學生物工程和治療科學教授Todd McDevitt說。 。“這反映了團隊與個人的行為。他們確實以快速的方式協(xié)調(diào)活動。這項研究表明，一些重要的細胞行為是通過間隙連接通訊來調(diào)節(jié)的。”

格倫，最近獲得博士學位。畢業(yè)于喬治亞理工學院，通過研究相鄰細胞對之間的通信開始了這個項目，這些細胞具有允許小分子進入的孔隙。通過將信號分子引入含有數(shù)百個這些同質(zhì)小鼠干細胞的集落，研究人員觀察到分化開始于單個細胞的變化。該細胞觸發(fā)了分化的模式，流過細胞并最終導致整個群體的變化。

在更大規(guī)模和三個維度上，這種變化導致身體器官的發(fā)展。了解這種情況如何發(fā)生 - 以及如何控制 - 可能是指導單個細胞過渡的關(guān)鍵。

根據(jù)實驗觀察，Glen開發(fā)了一個過程模型，使研究人員能夠研究一系列相互關(guān)聯(lián)的變量的影響，這些變量本來是不可能通過實驗研究的。數(shù)百個單個細胞的建模導致了具體的預測，研究人員隨后進行了實驗測試。

為了理解和測量細胞通訊過程，研究人員使用熒光染料來顯示信號分子何時從一個細胞移動到另一個細胞。然后，他們使用激光從單個細胞中漂白染料。測量染料更換所需的時間顯示了細胞膜的滲透性 - 以及細胞與其鄰居的通信程度。

“如果你摧毀細胞并立即恢復綠色，你知道細胞膜之間存在很多流動性和串擾，”肯普解釋說。“如果你摧毀一個細胞并且它仍然是黑暗的，那么這個細胞就會被隔離，并且與它的鄰居沒有任何聯(lián)系。”

通過部分阻斷細胞之間的通信并以其他方式擾亂通信，研究人員放慢了分化過程 - 但沒有改變其模式。肯普說：“我們能夠改變細胞表現(xiàn)的方式，減慢速度 - 有效地'制動'過程 - 同時保留空間信息。” “在這個過程中48小時的細胞可能看起來像24小時細胞。”

McDevitt指出，計算建模和實驗相結(jié)合，使得研究團隊得出了這兩種技術(shù)本身都無法提供的答案。

“通過建模，你可以研究比實驗更大的條件和參數(shù)，”他說。“該模型可以做出預測，我們可以回過頭來進行實驗研究，看看這些條件是如何影響行為的。我們通過實驗測量的行為與計算機預測的相符，并證實我們有一個強大的模型。”

McDevitt和Kemp多年來一直在研究這種胚胎干細胞系統(tǒng)，這項新研究使他們更接近對復雜系統(tǒng)的更全面理解。

“我們在過去六年的一系列論文中證明了這個系統(tǒng)的復雜性可以建模，”他說。“本文代表了進一步整合有關(guān)該系統(tǒng)信息的目標的進一步發(fā)展。通過這些步驟，我們更接近于在可能控制這些系統(tǒng)方面邁出更大的一步。”