來自艾倫研究所（Allen Institute for Cell Science）的研究人員利用數十萬張高分辨率圖像，對人類細胞的內部組織進行了編號，這一生物學概念直到現在還被證明是非常難以量化的。科學家們在工作中還記錄了在類似條件下生長的基因相同的細胞的不同細胞形狀。他們的發現最近發表在《自然》雜誌上。

綜合平均形態的細胞，顯示17個選擇結構。資料來源：艾倫細胞科學研究所

“細胞的組織方式告訴我們一些關於它們的行為和身份的信息，”艾倫細胞科學研究所副所長蘇珊娜-拉費爾斯基博士說，她和高級科學家馬修斯-維亞納博士一起領導了這項研究，”當我們都試圖了解細胞在健康和疾病中如何變化時，該領域一直缺少的是處理這種組織的嚴格方法。我們還沒有挖掘出這種信息”。

拉菲爾斯基說，這項研究為生物學家提供了一個路線圖，以一種可衡量的、定量的方式了解不同種類的細胞組織。它還揭示了艾倫研究所團隊研究的細胞的一些關鍵組織原則，這些細胞被稱為人類誘導多能幹細胞。

了解細胞在健康條件下如何組織自己–以及”正常”所包含的全部變化範圍–可以幫助科學家更好地了解在疾病中出了什麼問題。這項研究的圖像數據集、基因工程幹細胞和代碼都是公開的，供社區內其他科學家使用。

“使細胞生物學看起來難以解決的部分原因是，每個細胞看起來都不同，即使它們是同一類型的細胞。”加州大學舊金山分校生物化學和生物物理學教授、艾倫細胞科學研究所科學顧問委員會成員華萊士-馬歇爾博士說：”艾倫研究所的這項研究表明，這種長期困擾該領域的可變性實際上是研究細胞組成規則的一個機會。這種方法幾乎可以推廣到任何細胞，我期望其他許多人也能採用同樣的方法。”

在七年多前啟動的一項工作中，艾倫研究所團隊首先建立了一個乾細胞集合，通過基因工程在熒光顯微鏡下照亮不同的內部結構。有了標記25個單獨結構的細胞系，科學家們隨後捕獲了超過20萬個不同細胞的高分辨率三維圖像。

所有這些都是為了提出一個看似簡單的問題。我們的細胞是如何組織其內部的？

結果發現，要找到答案真的很複雜。想像一下，你的辦公室裡有數百件不同的家具，所有這些家具都需要隨時取用，而且許多家具需要自由移動或根據其任務進行互動。現在想像一下，你的辦公室是一個被一層薄薄的膜包圍的液體囊，而這數百件家具中的許多是更小的液體袋，很顯然，這會成為室內設計人員的噩夢。

科學家們想知道所有這些微小的細胞結構彼此之間是如何排列的？A結構”總是在同一個地方，還是隨機的？

研究小組在比較兩個不同細胞之間的相同結構時遇到了挑戰。即使被研究的細胞在基因上是相同的，並在相同的實驗室環境中飼養，它們的形狀也有很大的不同。科學家們意識到，如果一個細胞是短而圓的，另一個是長而梨形的，那麼就不可能比較結構A在兩個不同細胞中的位置。因此，他們給那些矮小的豆和修長的梨形加上了數字。

利用計算分析，該團隊開發了他們所謂的”形狀空間”，客觀地描述每個乾細胞的外部形狀。該形狀空間包括八個不同的形狀變化維度，如高度、體積、伸長率，以及恰如其分的”梨”和”豆”。然後，科學家們可以將梨與梨（或豆子與豆子）進行比較，觀察所有類似形狀的細胞內部的細胞結構組織。

“我們知道，在生物學中，形狀和功能是相互關聯的，了解細胞形狀對了解細胞的功能很重要，我們已經想出了一個框架，使我們能夠測量一個細胞的形狀，當你這樣做的那一刻，你可以找到形狀相似的細胞，對於這些細胞，你可以再看看裡面，看看一切是如何安排的。”

在分析25個突出的結構的位置，在具有相似形狀的細胞組中比較這些結構時，他們發現所有的細胞都以非常相似的方式設置，儘管細胞形狀有巨大的變化，但其內部組織卻驚人地一致。

如果你在一棟高層辦公樓裡看成千上萬的白領如何安排他們的家具，就好像每個工人都把他們的辦公桌放在辦公室的中間，而他們的文件櫃正好在最左邊的角落，無論辦公室的大小或形狀如何。如果你發現一間辦公室裡的文件櫃被扔在地上，文件散落一地–這可能會告訴你關於那間特定辦公室的狀況和它的使用者。

細胞的情況也是如此。發現偏離正常狀態的情況可以給科學家提供重要的信息，了解細胞在從靜止狀態過渡到移動狀態、準備分裂時的變化，或者了解在疾病中微觀層面上出了什麼問題。研究人員觀察了他們數據集中的兩種變化–細胞群邊緣的細胞，以及正在進行分裂以創造新子細胞的細胞，這一過程被稱為有絲分裂。在這兩種狀態下，科學家們能夠發現與細胞的不同環境或活動相關的內部組織變化。

艾倫細胞科學研究所執行主任Ru Gunawardane博士說：”這項研究匯集了我們在艾倫細胞科學研究所成立以來所做的一切。我們從頭開始建立所有這些，包括衡量和比較細胞如何組織的不同方面的指標。我真正感到興奮的是，我們和社區中的其他人現在可以在此基礎上，提出我們以前無法提出的關於細胞生物學的問題。”