細(xì)胞推出微小的探測器來探測它們的物理環(huán)境，但這些微型傳感器真正發(fā)現(xiàn)了多少?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)胞必須四處移動并改變形狀。這一發(fā)現(xiàn)有助于理解細(xì)胞如何對機(jī)械信號做出反應(yīng)，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)胞參與傷口愈合時會發(fā)生什么。

普林斯頓大學(xué)的Howard 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)胞如何通過環(huán)境，如肌肉或骨骼。” 。“這些組織在細(xì)胞規(guī)模上非常混亂，細(xì)胞只能在其周圍的區(qū)域進(jìn)行測量，”他說。“我們想對這個過程進(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)以拉動附近的纖維而與該基質(zhì)相互作用。以前的工作，主要采用人造平面，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。但是因?yàn)樘烊换|(zhì)的纖維都是在一個混亂的三維網(wǎng)絡(luò)中互相連接，所以不清楚細(xì)胞可以通過感受周圍環(huán)境來收集多少有用的信息。

為了找到答案，研究人員建立了一個計(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)中建模了一個細(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，現(xiàn)任慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)物理學(xué)教授Chase Broedersz及其同事Louise Jawerth和StefanMünster共同創(chuàng)建了物理網(wǎng)絡(luò)。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)胞如何能夠檢測到它們已經(jīng)到達(dá)具有支撐腫瘤生長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)腫瘤生長愈合。

Using mathematics, the researchers calculated how the networks would deform when nearby fibers are pulled on by cells. They found that both the collagen and fibrin networks contained configurations of fibers with remarkably broad ranges of collective stiffness, from rather bendable to very rigid, and that these regions could be immediately next to each other. As a result, the cell could have two nearby probes whereby one detects hardness and the other detects softness, making it difficult for a cell to learn by mechanosensing what type of tissue it inhabits. "We were surprised to find that the cell's environment can vary quite a lot even across a small distance," Wingreen said.

研究人員得出結(jié)論，為了獲得對其環(huán)境的準(zhǔn)確評估，細(xì)胞必須四處移動并改變形狀，例如伸長以覆蓋基質(zhì)的不同區(qū)域。“我們在模擬中發(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。”