研究揭示了细胞感受周围环境的方式

细胞推出微小的探测器来探测它们的物理环境，但这些微型传感器真正发现了多少?普林斯顿大学研究人员及其同事领导的一项新研究发现，典型细胞的环境在周围组织的刚度或柔韧性方面存在很大差异，为了获得有关周围环境的大量信息，细胞必须四处移动并改变形状。这一发现有助于理解细胞如何对机械信号做出反应，并可能有助于解释当移植肿瘤细胞定植于新器官或免疫细胞参与伤口愈合时会发生什么。

普林斯顿大学的Howard A.生命科学先驱教授，分子生物学教授和Lewis-Sigler综合基因组学研究所的Ned Wingreen说：“我们的研究着眼于细胞如何通过环境，如肌肉或骨骼。” 。“这些组织在细胞规模上非常混乱，细胞只能在其周围的区域进行测量，”他说。“我们想对这个过程进行建模。” 该研究于7月18日在线发表在Nature Communications杂志上。

身体的器官和组织陷入称为细胞外基质的富含纤维的结构中，其为细胞提供支架以使细胞生存，移动和分化以实现特定功能。细胞通过从细胞表面伸出粘性蛋白质以拉动附近的纤维而与该基质相互作用。以前的工作，主要采用人造平面，已经表明，细胞可以使用这种触觉反馈来确定称为机械传感的过程中的弹性或刚度。但是因为天然基质的纤维都是在一个混乱的三维网络中互相连接，所以不清楚细胞可以通过感受周围环境来收集多少有用的信息。

为了找到答案，研究人员建立了一个计算机模拟模拟模拟由胶原蛋白制成的基质中的典型细胞，胶原蛋白存在于皮肤，骨骼，肌肉和结缔组织中。该团队还在纤维蛋白网络中建模了一个细胞，纤维蛋白是一种强大的，粘稠的蛋白质，可以弥补血栓。为了准确捕捉这些网络的组成，研究人员与前普林斯顿刘易斯 - 西格勒研究员，现任慕尼黑路德维希马克西米利安大学物理学教授Chase Broedersz及其同事Louise Jawerth和StefanMünster共同创建了物理网络。使用最初在哈佛大学系统生物学家David Weitz合作小组中开发的方法对矩阵进行模拟。

通过这些虚拟网络，Beroz，Broedersz和Wingreen可以提出这样一个问题：细胞可以通过感受周围环境来收集有关环境弹性或刚度的有用信息吗?如果答案是肯定的，那么该发现将揭示细胞如何响应这些环境而改变。例如，这项工作可能有助于解释癌细胞如何能够检测到它们已经到达具有支撑肿瘤生长的正确支架类型的器官，或者到达伤口的细胞如何知道开始分泌蛋白质以促进肿瘤生长愈合。

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.

研究人员得出结论，为了获得对其环境的准确评估，细胞必须四处移动并改变形状，例如伸长以覆盖基质的不同区域。“我们在模拟中发现的东西符合实验主义者所发现的，”Wingreen说，“并揭示了细胞可以用来感受组织环境的新的'智能'策略。”