成像算法收集有关细胞如何移动的信息

布朗大学的工程师开发了一种新技术，帮助研究人员了解细胞如何穿过体内的复杂组织。他们希望该工具可用于了解各种细胞运动，从癌细胞如何迁移到免疫细胞如何进入感染部位。该技术在发表在“ 美国国家科学院院刊 ”上的论文中有所描述。

用于研究细胞运动的传统方法称为牵引力显微镜(TFM)。科学家们在细胞沿着二维表面移动时，或通过设计为实际身体组织的三维凝胶的三维凝胶拍摄细胞图像。通过测量细胞在移动时移动2-D表面或3-D凝胶的程度，研究人员可以计算细胞产生的力。问题在于，为了进行计算，必须知道人造组织环境的刚度和其他机械性质。

“如今在组织工程中，我们可以制造非常复杂的结构，更像是真实的组织，但由于它们如此复杂，我们无法了解所有的机械性能，”工程学助理教授Christian Franck说。在布朗。“所以我们有这些伟大的组织环境，但我们不能用它们来进行TFM计算。”

为了提出一种新的方法，弗兰克与他的学生和布朗工程学院的同事哈内什·凯萨里(Haneesh Kesari)合作，他专攻固体力学。

“这是Haneesh发现了所谓的平均变形理论，”弗兰克说。“这个理论允许我们做的是构建一个类似于牵引力显微镜的框架，但不需要知道机械特性。我们可以通过分析图像并观察细胞在与环境相互作用时如何变形来进行计算“。

想象一下用手指挤压橡皮球。在手指推动球的每个位置，都有一个凹陷。平均变形理论基本上将所有这些凹陷相加并返回一个数量，表示整个球的形状净变化。在细胞中，理论通过将细胞在与其移动的组织相互作用时变形的所有位置相加来得到一定量。

“很棒的是，我们得到的一个简单数量类似于我们从TFM获得的力量，我们可以从中获得大量其他数量，”弗兰克说。“我们可以对从TFM派生的数量进行相同类型的统计分析。”

为了了解该技术的功能，Franck与Brown的Warren Alpert医学院的外科(研究)教授Jonathan Reichner合作。他们对人体中性粒细胞进行了成像 - 白细胞在对抗感染时起着关键作用 - 当它们穿过复杂的胶原基质时。对健康的中性粒细胞以及改变模拟细胞的细胞进行成像，所述细胞参与脓毒性休克 - 白细胞的潜在致命功能障碍。

这项工作显示了健康细胞和脓毒症模型之间的一些有趣的差异，这是以前没有见过的。例如，该算法表明处于疾病状态的细胞倾向于比健康细胞更具收缩性。它们在移动时也倾向于旋转，而健康细胞则不然。

“我们能够显示健康细胞和疾病状态之间的显着差异，”弗兰克说。“这些差异如何与疾病有关，我们还不知道，但我们现在有能力看到这些差异并试图理解它们的含义。”Franck和他的同事们计划在网上免费提供支持该技术的软件供其他研究人员使用。“所有他们需要使用的都是三维图像，”弗兰克说。“一旦他们拥有图像，软件就会分析它们。”