数学模型可以使我们更接近有效的干细胞疗法

干细胞是潜力的真正定义：它们的 DNA 中包含了成为体内几乎任何细胞的潜力。几十年来，科学家们一直在努力将这种力量用作药物——想想用全新的细胞替换受损细胞——可以治疗甚至治愈从糖尿病到心脏病的所有疾病。

然而，所谓的再生医学仍处于早期阶段，很少有干细胞疗法被发现有效。部分问题是科学家们仍然不完全了解干细胞如何转化为最终形式，无论是血细胞还是心脏细胞。如果没有清楚地了解该过程，科学家就无法控制它作为一种治疗方法。

挥之不去的问题之一是细胞的基因如何随着时间的推移而表达，从 DNA 到 RNA 再到蛋白质。基因组不只是遵循其 DNA 中编码的指令;它通过改变染色质(包含 DNA 的紧密缠绕的束)的结构来响应来自环境的信号，这些信号告诉它表达什么以及何时表达。这些化学信号被称为表观基因组。

此外，要表达一个基因，它的DNA必须转录成RNA。细胞 RNA 的读数称为转录组。

UM 医学院计算医学和生物信息学系助理教授 Joshua Welch 博士说：“该领域的最大问题是表观基因组或转录组首先发生变化。” 他的团队在Nature Biotechnology上发表的一项研究提供了一个数学模型，可用于估计这一时间。

直到最近，研究人员才能看到单个细胞中的基因表达。多亏了单细胞测序技术，他们现在可以了。但是变化的时间仍然很难想象，因为测量细胞会破坏它。

“为了解决这个问题，我们开发了一种基于基础物理学模型的方法，”韦尔奇解释说，“将细胞视为在空间中移动的质量，我们正试图估计它们的速度。”

该模型被称为 MultiVelo，可预测细胞正在经历的分子变化的方向和速度。

“我们的模型可以告诉我们哪些事情首先发生了变化——表观基因组或基因表达——以及第一个改变第二个需要多长时间，”韦尔奇说。

他们能够使用来自大脑、血液和皮肤的四种干细胞来验证该方法，并确定了表观基因组和转录组可能不同步的两种方式。该技术为所谓的细胞图谱提供了一个额外的、关键的洞察层，这些图谱正在使用单细胞测序开发，以可视化不同身体系统中的各种细胞类型和基因表达。

韦尔奇指出，通过了解时机，研究人员更接近于指导干细胞的开发以用作治疗剂。

“该领域的一个大问题是在实验室中创建的人工分化细胞永远无法完全其现实生活中的对应物，”韦尔奇说。“我认为这种模型的最大潜力是更好地了解将细胞完全转化为您希望它们成为的任何目标的表观遗传障碍是什么。”

本文的其他作者包括 Chen Li、Maria C. Virgilio 和 Kathleen L. Collins。