两篇PNAS挑战几十年细胞学理论
最近，由细胞生物学家、系统生物学家和理论生物学家组成的一个研究小组发现，一个群组中的细胞可以感知单个细胞无法察觉的化学浓度差异，从而对一种几十年的理论提出了挑战。相关研究结果发表在《PNAS》杂志。
在耶鲁大学Andre Levchenko的实验室里，类器官漂浮在水凝胶里。这些凝胶中也包含表皮生长因子(EGF)，其中凝胶的一侧比另一侧的浓度高一点点。这个梯度是微妙的、精致的。单个细胞不能够区分这两侧的浓度差异。然而几天后，类器官开始分支，细胞的手臂伸向了EGF浓度大的那一边。
细胞使用这些化学梯度作为地图，来引导它们的运动，并做出生命决定。在二十世纪70年代和80年代，Berg和Purcell计算了一个细胞能够感知浅梯度的极限，但研究人员对于“更大规模的细胞群（如类器官）如何作决定移动或建立器官”，还知之甚少。
约翰霍普金斯大学的Levchenko和Andrew Ewald注意到，一个细胞群体能够感觉到轻微的化学差异，而且还发现了一个额外的警告：更大的类器官并没有比较小的表现更好。所以，他们求助于埃默里大学生物物理学家Ilya Nemenman，以弄清发生了什么，并提出了一个新理论。
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3D打印的新型培养皿
作为一名癌症细胞生物学家，Ewald研究了乳腺上皮细胞。他说：“乳腺带有一个分支管网络；它们将在哺乳期间产生和储存乳汁。我们知道，在产后的动物体内，它包含的分支管仅占很小的一部分。在小鼠中几周后或在人类中几个月年后，最终这个导管网络的规模和复杂性都有显著增加，我们想了解这是如何运作的。”
Levchenko——系统生物学家和生物医学工程师，和癌细胞生物学家Ewald合作，发现了乳腺细胞是如何回应EGF梯度的，这个信号有助于形成导管。但是，要将这些大细胞集群暴露于浅梯度，是非常困难的。他们需要一个1厘米芯片，因为类器官宽100到200微米，以及细胞外基质和蛋白质支架的空间。
Ewald说：“Andre和我坐在那里问，我们可不可以创建一种设备，对于这些几百微米的结构足够大，在那里我们可以让细胞真正暴露于精密的梯度?”
Levchenko决定使用立体光刻——一种3D打印技术，来创建这种设备。他使用电脑来设计模具，并使用Prototherm 12120打印模具。他们把一种灵活的聚合物倒进模具，烘烤过夜。延伸阅读：3D打印器官移植 不再遥远。
细胞之间的对话
有了这种设备，研究人员在一种EGF梯度中播种了不同大小组群的乳腺上皮细胞。根据表皮生长因子的浓度，细胞开始分支。Ewald说：“即使在一个非常浅的梯度中，它们也非常明显地定向运动。”
最令人惊讶的是，梯度甚至比他们想象的浅，每10微米只有0.2%的改变。Andre Levchenko说：“实际上它低于我们预期单个细胞能够检测的梯度。这是一种非常有效的方法，比单细胞更为有效。”当他们把孤立的细胞放入该设备时，细胞就无法检测到浅梯度。
Nemenman说：“发生的事情是，细胞相互交谈。细胞试图获取从细胞群的不同偏远角落获取信息，并通过扩大范围，它们能够感觉到梯度浓度变化小于任何小细胞能够探测到的。”延伸阅读：Nature揭示全新的细胞通讯方式；清华大学Cell Res揭示细胞通讯新形式。
如果每个细胞与其他的细胞交谈，就会有太多的交流进行，所以Nemenman和Levchenko提出了一种理论：当一个外部信号分子（如EGF）与细胞结合时，它会触发细胞中两个分子的活化：一个局部活跃分子，待在细胞中，和一个总体活跃分子，可以通过间隙连接从一个细胞到达另一个细胞。所有的细胞都会产生相同的分子，所以外部信号分子的平均浓度，是由内部所有分子（所有细胞贡献的）代表的。一个细胞会将来自局部分子的信号，与全体分子进行比较，以探讨它是处于较低还是较高的梯度，由此，确定朝哪个方向移动。好像所有的细胞成为了一个大的细胞。Levchenko说：“这是第一次证明，Berg和Purcell理论需要修改，以了解进行交流的全体细胞表现如何。”
该研究团队用四种不同的药物堵住间隙连接，给出了相同的答案：细胞保持健康，但是定向分支模式消失了。此外，消耗钙存储可中断梯度传感。Ewald说：“好像我们已经直接解除了它们相互沟通的能力，并直接解除了它们感知这种浅梯度的能力。我们可以肯定地说，细胞集群响应梯度，需要间隙连接和钙释放。”
传话游戏
理论上讲，随着感知组织的大小增加，这个梯度敏感性应该会无限期的增加，但是该研究团队发现，敏感性增加到类器官的一定规模之后，就停滞不前。
他们推断，类器官的细胞内和细胞间的信号噪音，限制了这种敏感度。Levchenko说：“关键的观点是，一个细胞或一组细胞内的化学通信，是一个嘈杂的过程，之前被忽视在Berg和Purcell 理论的不同体现。全体分子的运输是嘈杂的，所以不能在大于一定限制的距离内传达信息。”
在PNAS发表的另一项研究中，Levchenko、Nemenman和Andrew Mugler确定了导致细胞之间内部通讯噪音的梯度灵敏度极限，以及在敏感度极限到达之前有多少细胞可以组成类器官。令人惊讶的是，他们发现，如果局部分子也扩散，灵敏度也会提高，尽管要缓慢得多，这会降低测量噪声。他们把这个新理论称为“局部excitation-global抑制(REGI)”。Levchenko说：”我们认为，这一理论可允许一个更好的梯度性能，确实可能更符合已知的生物学过程。”
