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研究表明,人类细胞会聚集成分形簇

一项新的研究表明,人类细胞在形成裂缝状分支结构时遵循着与非活粒子相同的规则。

普罗维登斯,R.I.(布朗大学)——树状分支结构在人体各处都有,从肺部的支气管系统到向四肢供血的蜘蛛状毛细血管。长期以来,研究人员一直致力于理解构建这些复杂结构所需的细胞信号,但新的研究表明,简单的物理学可能发挥了一个未被充分认识的作用。

这项发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的研究表明,在某些情况下,人类上皮细胞的行为遵循扩散限制聚集的规则,这是一种解释悬浮在液体中的微粒的自组装的理论。研究表明,在稀疏密度和低生长因子下培养的细胞排列成分形的分枝簇。分形(其中微小的子部分看起来与整体相同的模式)几乎具有扩散受限聚合所预测的精确维度。

布朗大学工程学院助理教授、这篇论文的资深作者伊恩·y·王(Ian Y. Wong)说,“对我来说,值得注意的是,你有这样一个优雅的物理理论,它描述了随机移动的粘性粒子的聚集,也解释了迁移细胞的行为。”“实际上,细胞是复杂的实体,有许多发送和接收信号的方式,但在这种情况下,它们似乎遵循着与简单得多的非生命体相同的规则。”

该研究的主要作者、普林斯顿大学(Princeton University)博士后苏珊·e·莱格特(Susan E. Leggett)说,这些发现可能会对人体分支结构的形成以及其他关键的生物学过程提供洞见。

这幅图显示细胞在60小时内聚集成分形的分支形状。这种聚集完全出乎研究人员的意料,与非生命体如何聚集在一起的理论是一致的。

“我们认为,这可能会告诉我们一些有关组织形成、伤口愈合、癌症侵袭以及细胞组织形成多细胞组织的其他过程,”莱格特说。

当她开始这项研究时,Leggett实际上在思考一个非常不同的问题。她想更多地了解细胞在不受邻居影响的情况下,独立时的行为。她对上皮细胞向间充质转化(EMT)的过程很感兴趣,在这个过程中,聚集的上皮细胞转变为更具运动性的间充质细胞。这种转变往往发生在细胞彼此分离的时候。

莱格特说:“我在这些低生长因子条件下培养细胞的最初动机是将它们保持在低密度的环境中,这样我们就可以研究EMT。”“我们没有预料到细胞会经历这种聚集,而这几乎是相反的过程。”

低密度培养的细胞随机移动,直到它们与另一个细胞接触,此时细胞粘在一起,停止移动。研究人员写道,在几天的时间里,这些聚集在一起的细胞将自己组装成长长的树枝状结构,这“让人不由自主地回想起与有限扩散聚集相关的分形结构”。

进一步的分析表明,细胞簇的分形维数(测量树枝密集程度的指标)达到了1.7左右,这正是实验测量到的分形维数,并从理论上预测了粒子的扩散受限聚集。

研究人员说,这些细胞形成的结构如此类似于无生命物质的结构,这一事实有助于理解分支结构在生物学中是如何以及为什么如此重要。

Wong说:“对这些集体行为的更好理解,可能会进一步推动新的设计规则,使编程细胞能够组装成更大的组织结构。”

这项工作由美国国立卫生研究院(T32ES007272, P30GM110759, R21CA212932)支持。论文的其他共同作者还有扎卡里·j·尼隆哈(Zachary J. Neronha)、丹南杰·巴斯卡尔(Dhananjay Bhaskar)、杰·云·西姆(Jea Yun Sim)和西奥多拉·迈托·珀迪卡里(Theodora Myrto Perdikari)。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.brown.edu/news/2019-08-12/fractals