细胞活动就像在复杂迷宫中导航，并且还受到化学信号和环境物理特征的引导。马里兰大学Baltimore 分校（UMBC）的研究团队使用果蝇卵巢囊作为模型系统，揭示了细胞如何在机体组织迷宫中迁移，相关成果已发表于《Iscience》期刊。
研究团队通过将数学模型与高分辨率成像技术相结合，发现卵巢囊的物理形状与一种名为化学趋向剂的化学信号共同影响细胞的运动方式。
“这项研究采用数学模型与生物实验相结合的跨学科方法，”共同作者、UMBC数学家Brad Peercy表示。“研究结果支持了这样一种观点：化学趋向剂的复杂分布能够解释迁移运动中的特定变化。”
该研究的创新之处在于将精确的数学模型与生物学实验相结合，揭示了先前不可见的运动模式。
追踪线索
图片链接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1075412
图片信息：果蝇卵室的显微镜图像。
该团队研究的重点是边缘细胞。这种细胞存在于果蝇的卵巢囊中，因为其与人类发育和基因变异相关过程相似，所以成为研究细胞迁移的理想模型。研究团队发现，边缘细胞的移动并非如早期模型所示，仅由从卵室一端指向另一端的递增化学浓度梯度驱动。相反，组织的物理结构（窄管与较宽的间隙交替）也起着关键作用。
“这是我们首次证实迁移行为的模式与组织几何特征之间存在关联，”生物学家、UMBC博士Alex George解释道。他将这一迁移过程比作Hansel 与 Gretel 在森林中追踪面包屑：在平坦的地面上，路径清晰可见，但在有峡谷和山谷的地形中，面包屑的分布会受到地形影响，导致路径变得复杂。
为了理解这一现象，共同作者、UMBC博士Naghmeh Akhavan利用数学模型模拟细胞如何共同响应化学信号和组织几何。“Alex的实验表明，细胞的速度变化模式与既有模型描绘的模式不符。变化模式与既有模型描绘的模式不符。”她说道。她的模型揭示：细胞在窄管中加速，在较大间隙中减速，这一模式得到了George成像结果的确认。
实验和数学建模这两种方法相辅相成，各自提供独特视角。将两者结合在一起，“就像从两个不同的视角揭示隐藏的事物，”George表示。“我的实验将优化她的模型，而她的模型将优化我的实验。”
“当我们的模型与Alex的实验结果完全一致时，我们会非常高兴，” Akhavan补充道。
新策略，新发现
细胞迁移在许多生物过程中都起着关键作用，这项研究的更广泛影响在于其可能为发育生物学及其他领域提供新见解。
“关于细胞如何在环境中导航的研究，多数只关注单一的化学信号或结构信号。因此，本研究属于首批同时考量两者及其相互影响的研究之一，这在许多生物过程中都至关重要。”共同作者、UMBC生物学家Michelle Starz-Gaiano解释道。通过揭示组织几何与化学信号的相互作用机制，该研究可能为控制细胞运动提供新策略。
该团队的工作仍在不断发展，近期还进行了新实验，George利用专业显微镜进行了新实验，捕捉到了与化学信号相关的、此前未被观测到的细胞动态行为。这些发现将进一步完善团队的模型，为研究打开新的方向。
“我们正在从生物学和数学两个角度开发新的实验策略，” Starz-Gaiano表示，“所以我们期待这将为未来的研究带来新的发展方向。”
期刊：iscience
DOI：10.1016/j.isci.2025.111959
