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研究人员使用细胞成像和数学建模来了解癌症进

更新时间:2020-09-13 16:58点击:

  细胞分裂是生物体繁殖,生长和修复的基本过程。但是,当错误破坏了这个复杂的生物过程时,细胞异常会导致疾病,例如癌症,使细胞得以生长并失控。

研究人员使用细胞成像和数学建模来了解癌症进

  通过实验和数学建模的结合,来自科学学院的弗吉尼亚理工学院生物科学系和弗兰林生命科学研究所的研究人员团队开始揭示四倍体背后的机制-四倍体是一种经常发现的染色体异常在恶性肿瘤中。

  “我们的研究使用固定细胞分析,活细胞成像和数学模型来帮助我们更好地了解四倍体在肿瘤形成和进展中的作用。这项工作为将来的研究奠定基础,以真正了解四倍体与癌症之间的联系。知道了肿瘤中发生了什么,那么我们就可以更好地为他们开发更好的治疗方法了。”研究的主要作者,最近获得博士学位的Nicolaas Baudoin说。毕业于生物科学系和BIOTRANS计划,这是生物学家和工程师的跨学科研究生计划。

  每个人类的“父”细胞都拥有每个染色体的两个副本。在细胞分裂开始之前,每个染色体都会被复制,这样遗传信息就可以在两个“女儿” 细胞之间平均分配。但是,如果亲代细胞不能完成细胞分裂,则所有四个染色体都分配到一个子细胞中,从而使该细胞成为四倍体。

  当四倍体细胞获得两倍的染色体时,它们也获得两倍的中心体。在它们的组织和结构作用中,中心体是形成微管和纺锤体纤维的关键,它们在细胞分裂过程中将染色体拉开。由于中心体过多,染色体向许多不同的方向拉动,因此细胞分裂会产生异常结果。

  先前的研究表明,这些多余的中心体可能导致由四倍体诱导的肿瘤形成。但是随后,弗吉尼亚理工大学的研究小组在癌症进展模型中进行了两项研究,结果表明这些细胞最初获得了额外的中心体,但随着时间的流逝最终失去了它们。

  生物系教授Daniela Cimini说:“ 我们研究的主要目的是验证四倍体细胞是否损失了额外的中心体,研究了这一过程的动力学过程,并揭示了导致四倍体细胞损失这种中心体的机制。”科学和BIOTRANS的联合导演。

  研究小组在体外模型中使用活细胞成像和固定细胞分析,证实四倍体细胞确实失去了在四倍体化过程中获得的多余的中心体。

  在以数学模型为指导的实验中,他们得出的结论是,分裂四倍体细胞不对称地聚集其多余的中心体时,就会发生中心体损失。结果,子细胞之一将继承一个中心体,而不是两个。这将使该细胞长期遭受较少的细胞分裂失败并产生更多的细胞。

  这一发现可以解释某些癌症如何在四倍体化过程中首先获得额外的中心体,然后在随后的阶段失去它们。这表明四倍体与癌症之间的因果关系有待进一步研究。

  该数学模型还发现,唯一能在额外的中心体中维持长期存活的细胞是能够在细胞分裂过程中成功且一致地将这些中心体聚集在两组中的细胞。这些预测已通过实验进行了测试,并揭示了一种机制,该机制解释了为何某些癌细胞尽管存在额外的中心体计数却能存活。如果细胞未能有效地聚集其多余的中心体,下一代子细胞就会死亡。

  鲍杜因和西米尼都同意,只有与弗吉尼亚理工大学数学生物学家兼生物科学助理教授荆晨合作,才能实现这种机械理解水平。

  “建立在实验测量的基础上,数学模型描绘出有关细胞中心体数目如何变化的连续而详细的图像。这使我们能够看到实验无法测量的信息。” 陈说,弗兰林生命科学研究所和BIOTRANS的副教授。

  在他们的体外系统中,研究小组可以通过跟踪和成像来了解细胞内发生的事情,但是在像真实肿瘤这样的更复杂的系统中却无法做到这一点。利用他们的最新模型和之前的数据,团队将能够做出一些令人信服的预测。

  Chen认为,当前和未来癌症研究的成功可以归因于生物学和数学领域研究人员之间独特但重要的合作。

  “实验者和建模者之间的这种密切合作非常重要,这是对生物学研究进行建模的一种很好的方法。该过程需要我们之间进行很多密切的交流。如果正确完成,它会非常强大。”陈


研究人员使用细胞成像和数学建模来了解癌症进