研究人员为全面了解细胞缺陷扫清了道路

Amrinder Nain 是机械工程系的副教授，但他并不制造汽车或机器人。他拥护的力学是生命的微小组成部分以及它们的行为和移动方式。

细胞动力学研究研究活细胞及其生命、死亡、分裂和增殖。在过去的几年里，Nain 在细胞生存的微观道路上进行了多次探索。他过去的工作 分析了细胞如何移动，甚至包括与同事一起测量细胞力和细胞核形状以及使细胞通电并观察它们如何愈合的项目。

分裂的细胞就是我们的立场

他最近的合作研究了细胞如何分裂，特别是在活组织的纤维环境中。细胞通常在平坦环境中进行研究，而平坦环境和纤维环境之间的差异为了解细胞行为和影响它们的疾病打开了新的窗口。研究结果于 2 月 27 日发表在 美国国家科学院院刊上。这项工作得到了国家科学基金会的资助，并得到了弗吉尼亚理工大学关键技术与应用科学研究所和弗吉尼亚理工大学高分子创新研究所的支持。

细胞分裂，称为有丝分裂，对发育、修复和疾病生物学至关重要。一个细胞，在其最基本的水平上，复制它的染色体，然后将其分开并平均分配给两个子细胞，每个子细胞都有自己完整的遗传信息集。随着新细胞一遍又一遍地执行相同的功能，它们形成器官、治愈伤口并替换死细胞，从而维持健康组织和器官的循环。

但细胞分裂并不总是如此顺利。有时，细胞分裂不均匀，或者染色体分裂不均匀。当这些失火发生时，由此产生的细胞将继续复制其有缺陷的自身的副本，从而产生可能在活体中引起广泛问题的遗传缺陷。这些异常是许多产前出生缺陷的原因，并可能导致癌症的起源。

更好地了解细胞有丝分裂可以增加我们诊断、治疗和预防这些有丝分裂缺陷的机会。Nain 的发现描绘了人体纤维环境中细胞水平上正在发生的事情的完整画面，从而为研究人员提供了宝贵的信息。

移动、乘法和除法

在微观层面，细胞通过细胞外基质 (ECM) 移动，细胞外基质是一种有机材料的三维晶格，通过奠定将细胞结合在一起的坚实基础，为细胞形成器官提供框架。

Nain 的基础研究 侧重于重新创建和研究该晶格，他的团队 过去 对细胞运动的研究表明细胞如何沿着它移动。对于单根纤维，细胞在两端拉动自己，像走钢丝一样在纤维上行走。两条平行运行的光纤允许电池将这些连接加倍。

分裂细胞也利用它周围的纤维。对于单根纤维，细胞的每一端都会粘附并拉动以产生分裂。如果细胞处于多纤维环境中，它也可能会附着在这些纤维上。ECM 可以穿过细胞的上方和下方，提供细胞连接的三维网络。

可供细胞附着的纤维数量会影响细胞分裂的时间和细胞可能产生的缺陷类型。细胞在单根纤维上分裂需要更长的时间，并且有丝分裂错误会随着附着物的增加而变化，从而形成一幅复杂的图景，说明细胞可能会以多种方式失败。

这一发现影响了未来的研究，因为以前没有在纤维环境中研究过细胞分裂错误的复杂观点。

研究的新维度

“细胞生物学主要是在培养皿上研究的，培养皿是一个平坦的二维表面，”Nain 说。“平面二维在生理输出方面是有限的，因为身体中很少有地方可以将环境视为二维的。”

该团队发现，在 ECM 的 3D 环境中观察细胞产生了超出 2D 培养皿能力的新结果。在这项工作中，该团队提出了一个核心问题：细胞的形状如何影响其分裂行为?

细胞形状取决于细胞如何粘附在下面的基质上。例如，在平坦的二维培养皿中，细胞类似于煎饼。在 ECM 等纤维环境中，形状范围从细长的机翼到风筝，具体取决于纤维的数量及其结构。虽然细胞可能会粘附在悬浮纤维的纤维平面上方和下方，但平坦的表面会使细胞变平并向外形成连接。这种扁平化导致细胞在结球和分裂时表现不同。

附着在单根纤维上并由肌动蛋白收缩纤维电缆(红色)固定的圆形细胞体示意图，连接粘附簇(绿色)和细胞皮层(蓝色)。图片由 Amrinder Nain 提供。

当圆形细胞体分裂时，它通过将细胞体或皮质连接到纤维上的有机电缆固定在适当的位置。在单根光纤上，近乎完美的球形细胞体由两组电缆固定到位，为圆形细胞体提供最大的 3D 移动自由度。随着晶格中纤维数量的增加，细胞可以粘附的位置数量也会增加。这会导致多个电缆复合体限制圆形细胞体的 3D 运动。

这种简单的机械效应突出了培养皿和 ECM 之间的显着差异。在培养皿上，单极纺锤体缺陷(代表纺锤体极(或中心体)分离不完全)并不经常发生。然而，当电池处于具有两个电缆连接位置的单光纤环境中时，单极纺锤体缺陷会增加。

这些结果完全颠覆了细胞研究：在培养皿的环境中，细胞有丝分裂过程中出现的一些缺陷不会像在活体中那样发生。

“虽然双极分裂是最常见且无错误的分裂模式，它在纤维环境中主导分裂结果，但我们的工作表明通过改变细胞附着的纤维数量来改变单极和多极缺陷，”Nain 说。“它让我们得以一窥实际活组织中细胞分裂是如何发生的。”

Nain 希望这项基础实验-计算工作提供的新视角将产生关于如何治疗疾病和遗传障碍的见解。

“通过纤维网络，我们提供了有关全面体内图片的更多细节，填补了一些缺失的信息并使用我们的多学科方法，我们想在我们前进的过程中提出有丝分裂生物学中的一些精确问题，”他说。

为该项目组建的多学科团队由顶尖专家组成，其中包括细胞分裂生物学家、科罗拉多州立大学教授 Jennifer DeLuca;理论家和生物物理学家尼尔戈夫，以色列魏茨曼科学研究所教授;Raja Paul 是印度科学培养协会 (IACS) 的教授，也是理论家和计算专家。该出版物的第一作者是 Aniket Jana，现在是马里兰大学帕克分校的博士后研究员。参与这项研究的其他学生成员包括来自弗吉尼亚理工大学机械工程系的 Hoanan Zhang 和 Atharva Agashe，来自弗吉尼亚理工大学生物医学工程与力学系的 Ji Wang，以及来自印度 IACS 的 Apurba Sarkar。