研究人员为全面了解细胞缺陷扫清了道路

Amrinder Nain是弗吉尼亚理工大学机械工程系的副教授，但他不制造汽车或机器人。他所拥护的机制是生活的微小积木，以及它们的行为和移动方式。

细胞动力学研究活细胞及其生命、死亡、分裂和增殖。在过去的几年里，Nain沿着细胞生活的微观道路进行了许多旅行。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的项目，以及使细胞通电并观察它们如何愈合。

分裂的细胞是我们的立场

他的最新合作研究细胞如何分裂，特别是在活组织的纤维环境中。细胞通常在平坦的环境中进行研究，平坦和纤维景观之间的差异为细胞的行为和影响它们的疾病打开了新的窗口。研究结果于27月<>日发表在《美国国家科学院院刊》上。

细胞分裂，称为有丝分裂，对于发育、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，然后这些染色体被分离并平均分布在两个子细胞之间，每个子细胞都有自己完整的遗传信息集。当新细胞一遍又一遍地执行相同的功能时，它们会形成器官，愈合伤口并替换死细胞，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我的副本，从而产生遗传缺陷，从而可能导致生物体中普遍存在问题。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会增加我们诊断、治疗和预防这些有丝分裂缺陷的机会。Nain的发现通过描绘身体纤维环境中细胞水平上发生的事情的完整画面，将有价值的信息交到研究人员手中。

移动、乘法和除法

在微观水平上，细胞通过细胞外基质(ECM)移动，ECM是一种有机材料的三维晶格，通过奠定将它们结合在一起的坚实基础，为细胞形成器官提供了框架。

Nain的基础研究重点是重建和研究晶格，他的团队过去对细胞运动的研究已经显示了细胞如何沿着它行进。对于单根纤维，细胞在两端拉动自己，像走钢丝一样走钢丝。两条并行运行的光纤允许电池将这些连接加倍。

分裂细胞也利用其周围的纤维。对于单根纤维，细胞的每一端都粘附并拉动以产生分裂。如果一个细胞处于具有多种纤维的环境中，它也可能附着在这些纤维上。ECM可以穿过细胞的上方和下方，提供细胞连接的三维网。

细胞可以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，有丝分裂错误随着更多的附着而变化，从而为细胞可能失败的无数方式创造了一幅复杂的图景。

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视图。

研究的新维度

“细胞生物学主要在培养皿上研究，培养皿是一个平坦的二维表面，”Nain说。“平面2D在生理输出方面受到限制，因为身体中很少有地方可以将环境视为二维的。

研究小组发现，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，研究小组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底层基质上。例如，在扁平的二维培养皿上，细胞类似于煎饼。在诸如ECM之类的纤维环境中，形状从细长的翼型到风筝不等，具体取决于纤维的数量及其结构。虽然细胞可能粘附在悬浮纤维上的纤维平面上方和下方，但平坦的表面会导致细胞变平并向外形成连接。这种扁平化导致细胞在球状并经历分裂时表现不同。

当圆形细胞体分裂时，它由有机电缆固定到位，这些电缆将细胞体或皮层连接到纤维上。在单根光纤上，近乎完美的球形细胞体通过两组电缆固定到位，为圆形细胞体在 3D 中移动提供了最大的自由度。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。这导致多个电缆复合物限制了圆形细胞体的3D运动。

这种简单的机械效果突出了培养皿和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)并不常见。但是，当单元处于具有两个电缆连接位点的单光纤环境中时，单极主轴缺陷会增加。

这些结果完全颠覆了细胞研究：在培养皿的环境中，细胞有丝分裂期间发生的一些缺陷不能像在生物体中那样发生。

“虽然双极分裂是最常见和无错误的分裂模式，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，单极和多极缺陷的开关，”Nain说。“它提供了细胞分裂如何在实际活组织中发生的一瞥。

Nain希望这项基础实验计算工作提供的新视角将产生有关如何治疗疾病和遗传疾病的见解。

“通过光纤网络，我们提供了关于全面的体内图片的更多详细信息，填补了一些缺失的信息，并使用我们的多学科方法，我们希望在前进的过程中提出一些有丝分裂生物学方面的精确问题，”他说。