这张图片显示了细胞在60小时内聚集成分形的分支形状。这种聚集与非生命体聚集在一起的理论是一致的。
树状分支结构在人体中无处不在，从肺部的支气管系统到向四肢供血的蜿蜒的毛细血管。长期以来，研究人员一直致力于理解构建这些复杂结构所需的细胞信号，但来自美国布朗大学的最新研究表明，简单的物理学机制可能发挥了重要的作用。
这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究表明，在某些情况下，人类上皮细胞的行为遵循扩散限制凝聚的规则，这是一种解释悬浮在液体中的微粒进行自组装的理论。研究表明，在低密度和低生长因子下培养的细胞会排列成分形的分枝簇。其分形（其中微小的子部分看起来具有与整体相同的模式）几乎具有扩散限制凝聚模型所预测的精确维度。
布朗大学工程学院助理教授、论文通讯作者Ian Y. Wong说：“这个优雅的物理理论，既描述了随机移动的粘性粒子的聚集，也解释了迁移细胞的行为。实际上，细胞是复杂的实体，有许多发送和接收信号的方式，但在这种情况下，它们似乎遵循着与简单得多的非生命体相同的规则。”
该研究的主要作者、普林斯顿大学博士后Susan E. Leggett说：“这些发现可能会为人体分支结构的形成以及其他关键的生物学过程提供独特见解。我们认为，这可能会告诉我们一些有关组织形成、伤口愈合、癌症侵袭以及移动的细胞形成多细胞组织的过程。”她在布朗大学攻读病理生物学博士期间完成了这项工作。
当她开始这项研究时，Leggett实际上在思考一个完全不同的问题，她想更多地了解细胞在不受周围细胞影响的情况下的独立行为。她对上皮细胞向间充质转化的过程很感兴趣，在这个过程中，聚集的上皮细胞转变为更具运动性的间充质细胞，这种转变往往发生在细胞彼此分离的时候。
Leggett说：“我在这些低生长因子条件下培养细胞的最初动机是将它们保持在低密度的环境中，这样我们就可以研究EMT。我们没有预料到细胞会经历这种几乎是相反的聚集过程。”
低密度培养下的细胞会随机移动，直到它们与另一个细胞接触，此时细胞粘在一起，停止移动。研究人员写道，在几天的时间里，这些聚集在一起的细胞将自己组装成长长的树枝状结构，这“让人不由自主地回想起与扩散限制凝聚相关的分形结构”。
进一步的分析表明，细胞簇的分形维数（测量分支结构密集程度的指标）达到了1.7左右，这也正是实验测量到的分形维数，并从理论上预测了粒子的扩散限制凝聚。
研究人员说，这些细胞形成的结构非常类似于无生命物质的结构，这一事实有助于理解分支结构在生物学中的重要性及其机制。Wong说：“对这些集体行为的更好理解，可能会进一步推动新的设计规则，使编程细胞能够组装成更大的组织结构。”
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编译：花花
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/bu-rsh081219.php
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