[论文解读] Probing leukemia cells behavior under starvation

Simone Scalise, Giorgio Gosti+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2024

Liver Disease Diagnosis and Treatment被引用 4

一句话总结

本研究结合活细胞荧光成像与流式细胞术，并辅以定量模型，探究了白血病细胞（Jurkat T细胞）在血清饥饿条件下的适应机制。研究发现，细胞在适应新环境前，会将先前血清丰富条件的记忆保留至多一个世代，期间其生长与分裂速率随之调整，同时维持类似尺寸控制的分裂策略；非增殖细胞则表现出老化线粒体的不对称分配。

ABSTRACT

The ability of a cancer cell population to achieve heterogeneity in their phenotype distributions offers advantages in tumor invasiveness and drug resistance. Studying the mechanisms behind such observed heterogeneity in mammalian cells presents challenges due for instance to the prolonged proliferation times compared to widely studied unicellular organisms like bacteria and yeast. Here, we studied the response of leukemia cell populations to serum starvation via a protocol, we recently developed, that makes use of live cell fluorescence and flow cytometry in combination with a quantitative analytical model to follow the population proliferation while monitoring the dynamics of its phenotype distributions. We found that upon switching between a serum-rich to a serum-poor media, leukemia cells (i) maintain a memory of the previous environment up to one generation even in the presence of severe medium-depletion, before (ii) adapting their growth and division rates to the novel environment while preserving a sizer-like division strategy. Finally, looking at the mitochondria content of the proliferating vs non-proliferating cells, we found that the latter is characterized by a higher number of older mitochondria, suggesting a possible functional role of the observed asymmetric partitioning of (aged) mitochondria in leukemia cells.

研究动机与目标

• 理解白血病细胞群体在表型与群体水平上对血清饥饿的动态适应机制。
• 探究细胞在营养过渡期间是否保留对先前环境条件的记忆。
• 确定在饥饿条件下，分裂策略（如尺寸控制、计时器或增量器）是否得以维持。
• 探讨线粒体年龄与不对称性在白血病细胞增殖命运决策中的作用。

提出的方法

• 采用羧基荧光素二acetate琥珀酰亚胺酯（CFSE）荧光染料稀释法结合流式细胞术，追踪细胞随时间的世代变化。
• 使用前向角散射（FSC）作为细胞大小的代理指标，以关联大小与分裂动力学。
• 应用高斯混合模型（GMM）结合期望最大化（EM）算法，识别与世代相关的荧光簇。
• 开发基于随机的Gillespie模拟模型，以验证理论上的生长与分裂动力学。
• 构建一个最小化理论模型，量化生长与分裂速率作为细胞大小的幂函数。
• 将实验数据与数学建模相结合，推断群体水平的增殖统计特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 白血病细胞在逐步血清饥饿条件下，其增殖动力学如何响应？
• RQ2 细胞在从血清丰富环境过渡至饥饿环境期间，是否保留对先前条件的记忆？
• RQ3 在血清缺乏条件下，分裂策略（如尺寸控制、计时器或增量器）是否得以维持？
• RQ4 在饥饿条件下，线粒体年龄与细胞命运（增殖 vs. 非增殖）之间存在何种关系？
• RQ5 在营养过渡期间，群体的表型分布如何演变？

主要发现

• 白血病细胞在切换至低血清培养基后，可将先前血清丰富条件的记忆保留至多一个世代。
• 细胞以血清依赖的方式调整其生长与分裂速率，同时维持类似尺寸控制的分裂策略。
• 记忆效应的持续时间与初始与最终血清浓度差值成反比。
• 非增殖细胞中较老线粒体的比例高于增殖细胞，表明老化线粒体存在不对称分配。
• 实验方案成功通过染料稀释与FSC对群体进行世代分层，实现了对增殖动力学的定量分析。
• 理论建模与Gillespie模拟结果证实，所观察到的增殖曲线与依赖于细胞大小的生长与分裂速率一致。