受几何形状如何影响物质系统(如软物质)的启发，宾夕法尼亚大学的研究人员揭示了细胞内分子物理如何影响细胞行为的惊人见解。

“细胞的骨架就像我们的骨架一样，”工程与应用科学学院化学与生物分子工程系的研究生Nathan Bade说，“就像我们的骨架一样，它很僵硬。我们想要了解僵硬的骨架如何对几何形状做出反应。“

研究人员专注于血管平滑肌细胞，这是构成哺乳动物大部分大血管的细胞类型。根据Bade的说法，科学家可能会期望细胞试图避免弯曲。然而，研究人员发现，在圆柱形表面上，细胞实际上形成非常弯曲的骨架。他们还发现，通过操纵细胞的骨架，他们可以重现他们在体内看到的骨骼的排列模式。

“我们发现最令人兴奋的事情是几何体在细胞行为方面非常重要，”Bade说。“与刚度和其他重要的环境因素相比，我认为这有点被忽略了。”

该研究由Bade领导，在Kathleen Stebe，化学与生物分子工程系的Richer&Elizabeth Goodwin教授和研究与创新副院长的指导下工作;Randall Kamien，Vicki和William Abrams艺术与科学学院物理与天文系自然科学教授;和宾夕法尼亚州佩雷尔曼医学院药理学教授Richard K. Assoian。他们的论文发表在Science Advances上。

“我们已经知道哺乳动物细胞与边界相互作用，”Stebe说。“例如，如果细胞生长在不同刚度的表面上，它们的组织方式就不同了。这使我们对这个几何问题产生了兴趣：细胞可以看到它的边界形状吗?我们把我们最初的工作集中在圆柱状结构上因为它们在生物学中如此常见。“

为了研究这一点，Bade涂层圆柱体上的分子使它们粘附在细胞上，然后观察并收集有关细胞在弯曲边界上生长时的表现的信息。研究人员使用强大的共聚焦显微镜为他们提供了有关系统的三维信息。

研究人员能够治疗应力纤维，即细胞内的活性细胞骨架，使它们发出荧光。使用激光从样本的非常小的部分收集光，共焦显微镜消除了所有失焦光。这从一个狭窄的平面产生了一个高分辨率的图像，这使得研究人员可以看到坐在细胞顶部的应力纤维群与下面的另一个群体不同。

他们发现圆柱的大小影响了单元的响应：圆柱越大，导致几何平面越多，应力纤维对齐的越小。由于较小的圆柱体具有较大的曲率，因此应力纤维围绕它们更强地对齐。

“一组应力纤维沿轴线对齐，另一组缠绕在圆柱体周围，”Stebe说。“这是一个非常独特的模式;它并不是微妙的。所以我们就会问为什么会发生这种情况。”

研究人员使用一种专门设计用于激活细胞内Rho并使应力纤维更厚并且可能更硬的药物，研究人员开始研究这种刚度的增加是否会阻止应力纤维缠绕在圆柱体周围。但令他们惊讶的是，研究人员发现，这种处理完全消除了沿轴线排列的纤维，并使包裹的纤维变厚。

“重组非常引人注目，”Stebe说。“我们认为它是细胞做微积分;细胞感知并响应下面的曲率。显然，曲率是一种在细胞本身的组织和细胞内的微结构中发挥非常强大作用的线索。这些应力纤维种群可以使用改变僵硬度的药物进行操作。并且，在这些操作之后，应力纤维保持非常强的排列。这不是生物学中模式形成的通常论据。

为了跟进这些结果，该团队正在进一步研究曲率线索和更复杂的几何形状和边界。

“这篇文章的结果真的很有意思，”巴德说，“但它为我们留下了许多悬而未决的问题。其中一个真正了解机械细节。究竟是什么样的细胞导致一个人口非常弯曲，另一个非常直的对我们来说仍然是一个谜。此外，我们现在正在制作更复杂的曲面，以了解当面对更具挑战性的曲率场时细胞如何反应。

根据Bade的说法，这项研究已经产生了一个基本的发现，揭示了细胞如何与环境相互作用，这对于了解细胞在人体内的作用至关重要。

“宾夕法尼亚大学一直致力于了解细胞如何感知僵硬，”巴德说，“这是一种环境刺激，不是可溶性化学信号。而且这在癌症和各种疾病中非常重要我认为理解细胞如何感知和响应几何形状也很重要。“

研究人员还表明，在最基本的层面上，他们可以模拟细胞的内部结构。这些结构中的模式对下游细胞行为如迁移和增殖具有重要意义。这些细胞快速分裂和迁移的能力可能受几何形状和曲率的影响。

“从组织能力来看是有能力进行审问的，”阿索安说。“这可能是一个很好的工具，它允许我们组织细胞及其子结构进行其他审讯。这也是一个有趣的问题，如果你是从细胞构建结构，细胞的这种组织及其子结构给出在其他方面相同的细胞中有一些新的反应吗?与那些正在考虑如何在伤口愈合中利用细胞或植入细胞边界相互作用的人合作会非常有趣。

“除了对细胞用于解释表面几何形状的基本原理的新见解之外，这项研究可以深入了解平滑肌细胞及其细胞骨架如何在发育期间促进血管形成，甚至可能改变它们如何重塑血管因为我们发现这种对几何形状的反应并不局限于平滑肌细胞，因此几何传感可能成为各种生物学领域的新前沿。“

Stebe说：“这就是科学和工程的乐趣：一个小小的新工具可以触及其他所有东西。而这个发现是一个戏剧性的重组。那么它还有什么触动?”