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數學新模型:揭示了細胞彼此之間的相互作用的新規律

作者:由 量子認知 發表于 書法日期:2023-01-13

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科學家們過去曾像人一樣地來思考細胞,認為如果細胞獲得的空間越多,則移動起來就越容易;如果細胞獲得的空間越少,則移動起來就越困難。

數學新模型:揭示了細胞彼此之間的相互作用的新規律

澳大利亞昆士蘭科技大學( Queensland University of Technology)的數學家們最新研究表明,細胞彼此之間移動和相互作用的方式與科學家們一直認為的相反。事實證明,它比這更復雜。在移動之前,他們需要更多的細胞。研究表明,周圍有更多細胞時,細胞運動實際上會增加。這項研究結果,題為:“識別集體細胞行為中依賴密度的相互作用”(Identifying density-dependent interactions in collective cell behaviour),發表在最近的英國《皇家學會雜誌》上。

研究第一作者、亞歷克斯·布朗寧(Alex Browning)、大學的數學和統計前沿卓越中心(ACEMS)的研究員表示,“我們對此結果感到很驚訝,”

數學新模型:揭示了細胞彼此之間的相互作用的新規律

昆士蘭科技大學數學教授、馬修·辛普森(Matthew Simpson)主導了這一研究專案。辛普森教授說:“科學家過去曾像人一樣思考細胞。獲得的空間越多,移動起來就越容易。事實證明,它比這更復雜。在移動之前,他們需要更多的細胞。”

該項研究的原始動機是測試研究團隊最近開發的一些新的數學模型。事實證明,這些新的數學模型非常適合探索細胞生物學實驗。

驗證這些新的數學模型的細胞生物學實驗通常運用篩選工具,以瞭解潛在的藥物治療方法或不同的物理治療方法,例如不同的表面塗層。

該研究團隊對生物學家使用的稱為刮擦試驗的常見實驗,使用了先進的數學建模和統計分析。將細胞放置在孔中,然後進行刮擦以建立一個大的空區域來分隔細胞。

然後,科學家觀察細胞群如何生長以及細胞移動以填充該空間。在這項研究中,研究小組使用了前列腺癌細胞。

令人驚訝的是,典型的實驗方案不會改變初始細胞密度或所使用細胞的初始數量。

數學新模型:揭示了細胞彼此之間的相互作用的新規律

布朗寧先生說:“我們想透過量化這一點來探索細胞密度如何影響實驗的動力學。我們的數學和統計學方法使我們能夠識別實驗中細胞與細胞之間相互作用的本質,這可能導致密度依賴性行為。”

另一個問題是細胞生物學家和數學家一直認為細胞運動或運動與密度無關,並且不受細胞間相互作用的影響。

布朗寧說:“我們的研究結果表明,與以往的假設相反。事實證明,在密度更高的環境中,存在更多的細胞間相互作用,實際上增加了細胞運動。”

數學新模型:揭示了細胞彼此之間的相互作用的新規律

這項研究的共同作者,中國學者、昆士蘭理工大學數學生物學家王進(Wang Jin)博士說,“研究結果很有意義。”

他說,“生物學家進行了各種各樣的體外實驗,他們在實驗室中培養細胞。但是沒有標準的規程告訴他們進行實驗應該將多少細胞放入孔中。我們的結果表明,多少細胞至關重要他們使用。”

辛普森教授說,這對數學家也有影響。“人們通常不會改變事物。我們在這裡所做的最簡單的事情就是改變細胞的初始數量。”

“透過改變這些實驗的一些最基本的特徵,這些基本特徵是如此基礎,以至於沒有人質疑,我們實際上可以從中學到很多。”