快捷搜索:  www.ymwears.cn

研究人员使用细胞成像和数学模型来了解癌症的进展

细胞分裂是生物体繁殖、生长和修复的基本过程。但是,当一个错误打乱了这个复杂的生物过程时,细胞异常就会导致疾病,比如癌症,细胞的生长和分裂失控。

利用实验和数学模型的结合,一组来自弗吉尼亚理工大学理学院生物科学系和弗拉林生命科学研究所的研究人员开始解开四倍体背后的机制——一种经常在恶性肿瘤中发现的染色体异常。

他们的研究结果发表在4月29日的eLife上,eLife是一本开放获取的生命科学研究杂志。

“我们的研究使用了固定细胞分析、活细胞成像和数学模型来帮助我们更好地理解四倍体在肿瘤形成和进展中的作用。这项工作为未来的研究奠定了基础,以真正理解四倍体和癌症之间的联系。如果我们知道什么是发生在肿瘤,然后我们可以有一个更好地了解如何开发更好的治疗方法,”尼古拉斯说Baudoin,第一作者在研究和最近的一个博士研究生生物科学和BIOTRANS程序,生物学家和工程师的一个跨学科的研究生项目。

每个人类的“亲本”细胞都有每条染色体的两份副本。在细胞分裂开始之前,每条染色体都会被复制,这样遗传信息就可以在两个子细胞之间平均分配。但如果亲本细胞不能完成细胞分裂,所有的四条染色体就会被分配到一个子细胞中,从而使细胞成为四倍体。

当四倍体细胞获得双倍数目的染色体时,它们也获得双倍数目的中心体。在其组织和结构的作用中,中心体是形成微管和纺锤丝纤维的关键,在细胞分裂时,它们将染色体分开。由于中心体过多,染色体被拉向许多不同的方向,细胞分裂可能产生异常结果。

先前的研究表明,这些额外的中心体可能导致肿瘤的形成,由四倍体诱导。但随后,弗吉尼亚理工大学的研究小组遇到了两项关于癌症进展模型的研究,研究显示细胞最初获得了额外的中心体,但随着时间的推移最终失去了它们。

“我们研究的主要目标是验证四倍体细胞丢失额外中心体,检查这一过程的动力学,并揭示导致四倍体细胞丢失中心体的机制,”生物科学系的教授和生物转化的联席主任Daniela Cimini说。

在体外模型中使用活细胞成像和固定细胞分析,该团队确认四倍体细胞确实失去了在四倍化过程中获得的额外中心体。

在数学模型指导下的实验中,他们得出结论,当分裂的四倍体细胞不对称地聚集它们额外的中心体时中心体的丢失就会发生。结果,一个子细胞将继承一个中心体,而不是两个,这将使细胞遭受更少的细胞分裂失败,并在长期产生更多的细胞。

这一发现可以解释某些癌症如何在四倍化过程中首先获得额外的中心体,然后在后期失去它们。这说明四倍体与癌症之间的因果关系还需要进一步研究。

数学模型还发现,只有那些在细胞分裂过程中能够成功且持续地将这些中心体聚集在两组细胞中,才能在有额外中心体的情况下维持长期生存。这些预测经过实验验证,揭示了一种机制,解释了为什么某些癌细胞在中心体数量增加的情况下仍然存活。如果细胞不能有效地聚集它们额外的中心体,下一代子细胞就会死亡。

Baudoin和Cimini同意,这种程度的机械理解只有在他们和Jing Chen的合作下才可能实现。Jing Chen是数学生物学家,也是弗吉尼亚理工学院的生物科学助理教授。

这个数学模型建立在实验测量的基础上,描绘出一幅关于细胞中心体数量如何变化的连续而详细的图像。这让我们看到了无法通过实验测量的信息。”

接下来,研究小组希望利用他们的模型更好地了解三维培养和真实肿瘤中的细胞动力学。

在他们的体外系统中,研究小组可以通过追踪和成像来了解细胞内部发生了什么,但这在更复杂的系统中无法做到,比如真实的肿瘤。有了最新的模型和之前的数据,这个团队将能够做出一些令人信服的预测。

陈表示,目前和未来癌症研究的成功可以归功于生物学和数学领域研究人员之间独特而重要的合作。

“实验者和建模者之间的这种手拉手的合作是非常重要的,而且这是建模生物学研究的一种很好的方法。这个过程需要我们之间进行大量的密切沟通。如果动作正确,它会非常有力。”

您可能还会对下面的文章感兴趣: