宾夕法尼亚州立大学医学院的研究人员正在使用先进的成像技术来研究生命是如何在原子、细胞、组织和有机体水平上运作的。这些研究项目是由临床观察到的疾病推动的，科学家们在实验室里的发现有一天可能会为患有皮肤病、癌症、神经系统疾病和其他疾病的患者带来新的治疗方法。
其中一个项目由皮肤病学和细胞与分子生理学教授安德鲁·科瓦尔奇克(Andrew Kowalczyk)领导，他以罕见的皮肤病为背景，研究细胞如何相互粘附或形成连接。科学家估计，人体内有超过30万亿个细胞，这些细胞连接起来形成组织并对压力做出反应的能力对正常的组织和器官功能至关重要。
“罕见病只影响少数人，但它们可以揭示很多我们认为理所当然的基础生物学知识，”皮肤病学教授科瓦尔奇克说。“我们实验室的目标是在罕见疾病的背景下，对细胞功能做出重大发现，这些发现可以应用于多种生物医学问题。”
Kowalczyk的团队由博士后学者、研究生、教职员工和国际合作者组成。凭借他们在活细胞成像、机器/深度学习和其他技术方面的综合专业知识，该团队的目标是对人类细胞之间的接触做出根本性的发现。
Kowalczyk实验室特别研究桥粒，桥粒是细胞粘附结构，对皮肤和心脏等器官的功能至关重要。在他们发表在《自然细胞生物学》杂志上的最新研究中，研究人员描述了在桥粒(促进细胞间粘附的结构)和内质网(细胞内参与蛋白质折叠、修饰和运输的膜系统)之间形成的复合物的结构和动力学。
他们在细胞连接处发现了他们所谓的“意想不到的”发现:内质网与桥粒和角蛋白中间丝有关，这是一种细胞骨架网络，使皮肤细胞能够抵抗机械应力。
内质网和桥粒之间存在联系的想法最初是由皮肤病学和细胞与分子生理学助理教授萨拉·斯塔尔利(Sara Stahley)提出的，她基于对达里尔病等罕见皮肤病的观察，这些疾病将内质网和桥粒功能联系起来。
Navaneetha“Nav”Krishnan Bharathan是Kowalczyk实验室的博士后学者，他承担了一项具有挑战性的任务，即开发研究假设的er -桥粒复合物的方法。他组装了可视化内质网的工具，包括一种荧光标记内质网管的方法，内质网管是由内质网组成的微小管。然后，他开发了活细胞成像技术，为实验室提供了细胞-细胞连接中稳定的er -桥粒体以镜像状排列的证据。
巴拉坦向Janelia研究校园的高级成像中心提交了一份建议，使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)，一种体积电子显微镜，以纳米级分辨率确定桥粒处ER小管的精确3D排列。这导致了与Janelia科学家的合作，为Kowalczyk实验室的发现奠定了基础。
“Nav开辟了一个全新的研究领域，将细胞器生物学与细胞间连接的研究结合起来，”Kowalczyk说。“他一直是这个项目的推动者和领导者，这个项目花了四年多的时间才取得成果。”
这个充满活力的团队的另一名成员是William“Will”Giang，他是Kowalczyk实验室和医学院先进光学显微镜核心设施的成像科学家。他使用机器/深度学习进行图像恢复和分割，将体积电镜数据转换为er角蛋白-桥粒关联的美观详细的渲染图。
Kowalczyk说:“机器学习使我们能够在短短几周内渲染这些图像，否则需要花费数年的人力来处理。”“如果没有威尔和纳夫的专业知识，这个建筑群的发现是不可能的。”
在巴拉坦和攻读生物医学博士学位的研究生科琳·霍夫曼(Coryn Hoffman)领导的实验中，研究小组发现了初步证据，表明er角蛋白-桥粒复合物可能作为一种压力传感器，对细胞-细胞接触的中断做出反应。由于这一发现，研究小组正在进行研究，以进一步探索这种结构复合物如何使细胞对机械损伤或刺激作出反应。
Kowalczyk实验室只是宾夕法尼亚州立大学使用先进成像和人工智能研究各种尺度生命的一个团队。负责研究和研究生学习的副院长莱斯利·帕伦特(Leslie Parent)表示，从原子和分子水平到组织和整个生物体水平，医学院的研究人员正在取得一些基础性的发现，这些发现有朝一日可能会导致医学创新。
Parent说:“我们将来自多个科学学科的最聪明的人聚集在一起，来回答关于活细胞如何在分子水平上起作用的基本问题。”“我们的教职员工和学员正在做出将塑造医学未来的发现。”
<