Представьте себе клетки, которые пробираются через сложный лабиринт, ориентируясь на химические сигналы и физический ландшафт своего окружения. Группа исследователей из Университета Мэриленда, округ Балтимор (UMBC), внесла вклад в важное открытие о том, как клетки перемещаются по этому лабиринту тканей организма, используя яйцевую камеру плодовой мухи в качестве модельной системы. Потенциальные последствия включают лучшее понимание таких заболеваний, как рак, и продвижение в области медицинских методов лечения.
Исследование опубликовано в iScience
В статье, опубликованной в iScience, команда исследователей сочетает биологические эксперименты и математику, чтобы выявить новые закономерности миграции клеток.
Используя математическое моделирование и передовые методы визуализации, команда обнаружила, что физическая форма яйцевой камеры в сочетании с химическими сигналами, называемыми хемоаттрактантами, существенно влияет на движение клеток.
Математик и соавтор Брэд Пирси подчёркивает междисциплинарный подход исследования, в котором математическая модель тесно связана с экспериментальным дизайном. Результаты подтверждают идею о том, что сложное распределение химических аттрактантов может объяснить специфические вариации в миграционном движении.
Инновационный подход
Энтузиазм Пирси подчёркивает инновационный подход исследования, который объединяет точные математические модели с реальными биологическими экспериментами для выявления закономерностей, которые ранее были невидимы.
Работа команды сосредоточена на пограничных клетках, типе клеток в яйцевых камерах плодовых мух, которые являются модельной системой для изучения миграции клеток из-за их сходства с процессами развития человека и заболеваниями.
Команда обнаружила, что движение пограничных клеток определяется не только постоянно увеличивающимися концентрациями химических веществ от одного конца яйцевой камеры к другому, как предполагалось ранее. Вместо этого критическую роль играет физическая структура ткани — узкие трубки, чередующиеся с более широкими промежутками.
Биолог Алекс Джордж, соавтор, который защитил докторскую диссертацию в UMBC в 2024 году и начнёт постдокторскую стажировку в Медицинской школе Дартмута, сравнивает процесс миграции с Гензелем и Гретель, идущими по хлебным крошкам через лес: на ровной равнине тропа ясна, но в ландшафте с оврагами и долинами хлебные крошки скапливаются неожиданным образом, усложняя путь.
Чтобы понять это, соавтор Нагмех Ахаван, которая завершила свою докторскую диссертацию по математике в UMBC этой весной, разработала математические модели, имитирующие реакцию клеток как на химические сигналы, так и на геометрию тканей вместе.
Эксперименты и моделирование
Эксперименты Алекса Джорджа показали, что скорость не совсем такая, как предполагалось в предыдущих моделях. Модели Нагмех Ахаван выявили, что клетки ускоряются в узких трубках и замедляются в более крупных промежутках — закономерность, подтверждённая визуализацией Джорджа.
Оба подхода — эксперименты в лаборатории и моделирование — приносят уникальные сильные стороны в работу. Объединение их вместе «подобно раскрытию невидимого с двух разных точек зрения», — говорит Джордж. «Мои эксперименты уточнят её модель, а её модель уточнит мои эксперименты».
Исследование может иметь более широкое влияние, поскольку оно потенциально может дать информацию областям, выходящим за рамки биологии развития. Миграция клеток имеет решающее значение в таких процессах, как заживление ран, иммунные реакции и метастазирование рака.
Исследователи из UMBC и Центра передовой визуализации в Исследовательском кампусе Джанелии в Вирджинии продолжают развивать новые экспериментальные стратегии как в биологии, так и в математике. «Мы разрабатываем новые экспериментальные стратегии как с биологической, так и с математической стороны, — говорит Мишель Старз-Гайано, биолог из UMBC, — так что будет интересно посмотреть, к чему это приведёт дальше».
Предоставлено Университетом Мэриленда, округ Балтимор.