細(xì)胞推出微小的觸角來探測(cè)它們的物理環(huán)境，但是這些微小的傳感器能??真正發(fā)現(xiàn)多少?普林斯頓大學(xué)研究人員及其同事領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，典型細(xì)胞的環(huán)境在周圍組織的剛度或柔韌性方面存在很大差異，為了獲得有關(guān)周圍環(huán)境的大量信息，細(xì)胞必須四處移動(dòng)并改變形狀。該發(fā)現(xiàn)有助于理解細(xì)胞如何響應(yīng)機(jī)械信號(hào)，并可能有助于解釋當(dāng)移植腫瘤細(xì)胞定植于新器官或免疫細(xì)胞參與傷口愈合時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

普林斯頓的霍華德A.生命科學(xué)先驅(qū)教授，分子生物學(xué)教授和Lewis-Sigler綜合基因組學(xué)研究所的Ned Wingreen說：“我們的研究著眼于細(xì)胞如何在肌肉或骨骼等環(huán)境中感受到自己的感覺。” 。“這些組織在細(xì)胞規(guī)模上非?；靵y，細(xì)胞只能在其周圍的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，”他說。“我們想對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行建模。”該研究于7月18日在線發(fā)表在Nature Communications雜志上。

身體的器官和組織陷入稱為細(xì)胞外基質(zhì)的富含纖維的結(jié)構(gòu)中，其為細(xì)胞提供支架以使細(xì)胞生存，移動(dòng)和分化以實(shí)現(xiàn)特定功能。細(xì)胞通過從細(xì)胞表面伸出粘性蛋白質(zhì)以拉動(dòng)附近的纖維而與該基質(zhì)相互作用。以前的工作，主要是使用人造平面，已經(jīng)表明，細(xì)胞可以使用這種觸覺反饋來確定稱為機(jī)械傳感的過程中的彈性或剛度。但由于天然基質(zhì)的纖維都是在一個(gè)混亂的三維網(wǎng)絡(luò)中互相連接，因此不清楚細(xì)胞可以從感受其周圍環(huán)境中收集到多少有用的信息。

為了找到答案，研究人員建立了一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬模擬模擬由膠原蛋白制成的基質(zhì)中的典型細(xì)胞，膠原蛋白存在于皮膚，骨骼，肌肉和結(jié)締組織中。該團(tuán)隊(duì)還在纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中模擬了一個(gè)細(xì)胞，纖維蛋白是一種強(qiáng)大的，粘稠的蛋白質(zhì)，可以彌補(bǔ)血栓。為了準(zhǔn)確捕捉這些網(wǎng)絡(luò)的組成，研究人員與前普林斯頓劉易斯 - 西格勒研究員Chase Broedersz合作，他現(xiàn)在是慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)的物理學(xué)教授，他的同事路易斯·哈維特和斯特凡·明斯特首先創(chuàng)造了物理使用最初在哈佛大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)家David Weitz合作小組中開發(fā)的方法對(duì)矩陣進(jìn)行模擬。

通過這些虛擬網(wǎng)絡(luò)，Beroz，Broedersz和Wingreen可以提出這樣一個(gè)問題：細(xì)胞可以通過感受周圍環(huán)境來收集有關(guān)環(huán)境彈性或剛度的有用信息嗎?如果答案是肯定的，那么該發(fā)現(xiàn)將揭示細(xì)胞如何響應(yīng)這些環(huán)境而改變。例如，這項(xiàng)工作可能有助于解釋癌細(xì)胞如何能夠檢測(cè)到它們是否已到達(dá)具有支撐腫瘤生長(zhǎng)的正確支架類型的器官，或者到達(dá)傷口的細(xì)胞如何知道開始分泌蛋白質(zhì)以促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)愈合。

利用數(shù)學(xué)，研究人員計(jì)算了當(dāng)細(xì)胞拉近附近的纖維時(shí)網(wǎng)絡(luò)會(huì)如何變形。他們發(fā)現(xiàn)，膠原蛋白和纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)都含有纖維結(jié)構(gòu)，具有非常寬的集體剛度范圍，從相當(dāng)可彎曲到非常堅(jiān)硬，并且這些區(qū)域可以緊挨著彼此。結(jié)果，細(xì)胞可以具有兩個(gè)附近的探針，其中一個(gè)檢測(cè)硬度而另一個(gè)檢測(cè)柔軟性，使得細(xì)胞難以通過機(jī)械感知它所棲息的組織類型來學(xué)習(xí)。“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使在很短的距離內(nèi)，細(xì)胞的環(huán)境也會(huì)發(fā)生很大變化，”Wingreen說。

研究人員得出結(jié)論，為了準(zhǔn)確評(píng)估其環(huán)境，細(xì)胞必須四處移動(dòng)并改變形狀，例如伸長(zhǎng)以覆蓋基質(zhì)的不同區(qū)域。“我們?cè)谀M中發(fā)現(xiàn)的東西符合實(shí)驗(yàn)主義者所發(fā)現(xiàn)的，”Wingreen說，“并揭示了細(xì)胞可以用來感受組織環(huán)境的新的'智能'策略。”