利用计算建模和实验技术的结合，研究团队开发了关于细胞间通讯如何影响胚胎干细胞集落随时间的分化的新信息。

通过提供关于细胞间通信作用的新信息，该研究可以更好地理解多细胞类器官如何从独立细胞的集落形成。该信息可以导致控制多细胞构建体如何发展的新方法，并且可以在再生医学，药物测试和其他研究领域中应用。

该研究得益于佐治亚理工学院与格拉德斯通研究所之间的合作，并于10月5日在Nature Communications杂志上发表。国家科学基金会(NSF)综合蜂窝系统科学技术中心(EBICS)的紧急行为支持了这项研究。

“目标是控制像这样的细胞系统，指导组织采取不同的表型，发展成不同的复杂混合物，并自组装并形成非常复杂的结构，”Melissa Kemp说，他是一名副教授。华莱士H.库尔特乔治亚理工学院和埃默里大学生物医学工程系。“为了开发可用作筛选药物替代品的组织或作为治疗目的的最终植入物，我们需要如何正确控制和指导它们。”

科学家认为，干细胞分化的模式会影响最终从分化过程中出现的细胞类型。

尽管在进化的多细胞系统中局部细胞间相互作用的重要性，但对整个系统如何调节其形态过程知之甚少。为了更多地了解这一点，该论文的第一作者Chad Glen研究了相邻细胞之间的通信如何通知这些细胞的命运。除了理解这种交流之外，格伦还发现了一种“制动”分化速率的潜在机制，而不会影响所得多细胞组织的整体模式。

“紧密耦合的细胞之间的协调量使我们了解它们如何作为一个群体工作，”格拉德斯通研究所的高级研究员，旧金山加利福尼亚大学生物工程和治疗科学教授Todd McDevitt说。 。“这反映了团队与个人的行为。他们确实以快速的方式协调活动。这项研究表明，一些重要的细胞行为是如何通过间隙连接通讯来调节的。”

Glen，最近获得博士学位。乔治亚理工学院毕业，通过研究相邻细胞对之间的沟通开始了这个项目，这些细胞具有允许小分子进入的孔隙。通过将信号分子引入含有数百种这些同质小鼠干细胞的集落中，研究人员观察到分化始于单个细胞的变化。该细胞触发了一种分化模式，流过细胞并最终导致整个细胞群的变化。

在更大规模和三个维度上，这种变化导致身体器官的发展。了解这种情况如何发生 - 以及如何控制 - 可能是指导单个细胞过渡的关键。

根据实验观察，Glen开发了一个过程模型，使研究人员能够研究一系列相互关联的变量的影响，这些变量本来是不可能通过实验研究的。数百个单个细胞的建模导致了具体的预测，研究人员随后进行了实验测试。

为了理解和测量细胞通讯过程，研究人员使用荧光染料来显示信号分子何时从一个细胞移动到另一个细胞。然后，他们使用激光从单个细胞中漂白染料。测量染料被替换所需的时间显示了细胞膜的渗透性 - 以及细胞与其邻居的交流情况。

“如果你摧毁细胞并立即恢复绿色，你知道细胞膜之间存在大量的流动性和串扰，”坎普解释说。“如果你摧毁一个细胞并且它仍然是黑暗的，那么这个细胞就会被隔离，并且与它的邻居没有任何联系。”

通过部分阻断细胞之间的通信并以其他方式扰乱通信，研究人员放慢了分化过程 - 但没有改变其模式。“我们能够改变细胞的行为方式，减慢速度 - 有效地'制动'过程 - 同时保留空间信息，”肯普说。“在这个过程中48小时的细胞可能看起来像24小时细胞。”

McDevitt指出，计算建模和实验相结合，使得研究团队得出了这两种技术本身都无法提供的答案。

“通过建模，你可以研究比实验更大的条件和参数，”他说。“该模型可以预测我们可以回过头来进行实验研究，看看这些条件是如何影响行为的。我们通过实验测量的行为与计算机预测的行为相匹配，并证实我们有一个强大的模型。”

McDevitt和Kemp多年来一直在研究这种胚胎干细胞系统，这项新研究使他们更接近对复杂系统的更全面理解。

“我们在过去六年的一系列论文中证明了这个系统的复杂性可以建模，”他说。“本文代表了进一步整合有关该系统信息的目标的进一步发展。通过这些步骤，我们更接近于在可能控制这些系统方面迈出更大的一步。”