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如何在原子、细胞、组织和有机体水平上发挥作用。这些研究项目是由临床观察到的疾病驱动的，科学家在实验室中取得的发现有朝一日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及细胞和分子生理学教授AndrewKowalczyk领导，他以罕见的皮肤病为背景来研究细胞如何相互粘附或形成连接。科学家估计，人体中有超过30万亿个细胞，这些细胞连接形成组织和应对压力的能力对于正常组织和器官功能至关重要。
“罕见疾病影响的人很少，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，”皮肤科教授Kowalczyk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要发现，这些发现可应用于多种生物医学问题。”
Kowalczyk的团队由博士后学者、研究生、工作人员、教师和国际合作者组成。凭借在活细胞成像、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。
团队合作和成像专业知识带来意想不到的发现
Kowalczyk实验室特别研究桥粒，桥粒是对皮肤和心脏等器官功能至关重要的细胞粘附结构。在发表在《自然细胞生物学》上的最新研究中，研究人员描述了桥粒(促进细胞间粘附的结构)和内质网(ER)(参与蛋白质的细胞内的膜系统)之间形成的复合物的结构和动力学。折叠、改装和运输。
他们在细胞连接中做出了所谓的“意外”发现：内质网与桥粒和角蛋白中间丝相关联，这是一种允许皮肤细胞抵抗机械应力的细胞骨架网络。
ER和桥粒之间存在关联的想法最初是由皮肤病学以及细胞和分子生理学助理教授SaraStahley基于她对罕见皮肤病(如将ER和桥粒功能联系起来的达里尔病)的观察而提出的。
Navaneetha"Nav"KrishnanBharathan是Kowalczyk实验室的博士后学者，他承担了开发研究假设的ER-桥粒复合物的方法的艰巨任务。他组装了用于可视化ER的工具，包括一种荧光标记ER小管(构成ER的微小管)的方法。然后，他开发了活细胞成像技术，为实验室提供了第一个证据，证明细胞与细胞连接中的内质网-桥粒以镜状排列稳定存在。
Bharathan向Janelia研究园区的高级成像中心提交了一份提案，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)来确定桥粒处ER小管纳米级的精确3D排列解决。这促成了与Janelia科学家的合作，为Kowalczyk实验室的发现奠定了基础。
Kowalczyk说：“Nav开辟了一个全新的研究领域，它将细胞器生物学与细胞间连接的研究结合起来。”“他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。”
机器学习使细胞连接成为焦点
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，将体积电子显微镜数据转换为ER-角蛋白-桥粒关联的美丽而详细的渲染图。
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体力劳动来处理。”“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Bharathan和攻读生物医学博士学位的研究生CorynHoffman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，对细胞间接触的破坏做出反应。由于这一发现，该团队正在进行研究，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做出反应。
Kowalczyk实验室只是宾夕法尼亚州立大学的一个团队，他们使用先进的成像和人工智能来研究各种尺度的生命。负责研究和研究生学习的副院长莱斯利·帕伦特(LeslieParent)表示，从原子和分子水平到组织和整个有机体水平，医学院的研究人员正在做出基础性的发现，这些发现有朝一日可能会带来医学创新。
“我们将来自多个科学学科的最聪明的人才聚集在一起，回答有关活细胞如何在分子水平上发挥作用的基本问题，”帕伦特说。“我们的教职员工和学员正在做出将塑造医学未来的发现。”
