当细胞分裂时，细胞需要复制DNA并将其分配到两个新细胞中。纺锤体在这一过程中发挥关键作用：它与染色体相连并将其分开，帮助染色体移动到新的位置。研究人员指出，这一过程一旦发生偏差，可能与不孕、遗传疾病或癌症相关。

科学界已较为清楚纺锤体的组成——由细长的微管以及多种相关马达蛋白构成。但微管之间如何相互作用并形成有序结构，从而支撑纺锤体功能，长期以来仍缺乏可被数据直接检验的统一解释。

一种研究思路是将纺锤体视为“活性液晶”。液晶由细长亚单位组成；与液晶显示器中依赖外部电场改变取向的液晶不同，纺锤体被视为能够在内部产生力的活性材料。研究人员表示，这一框架有助于模拟微管相互作用，但此前尚缺少来自实际人类细胞数据的系统验证。

西蒙斯基金会Flatiron研究所（Flatiron Institute）及其合作伙伴近日在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表论文称，借助先进显微技术获得的分裂细胞数据，他们在多数情况下验证了活性液晶理论对纺锤体自组织的描述。

论文第一作者、Flatiron研究所计算生物学中心（CCB）研究员Suryanarayana Maddu表示，研究团队从两组差异显著的数据集中得到一致结论，这支持观察到的模式反映纺锤体的真实物理特性，而非实验伪影，并展示了物理学与材料科学理论在生物系统中的应用潜力。

研究团队称，这项基础研究可能为生育与体外受精（IVF）相关研究提供参考，因为准确的染色体分离对卵子活力至关重要，而分离异常可能与唐氏综合征等遗传疾病相关。另一位第一作者、雪城大学的Colm Kelleher表示，定量生物物理方法或可用于分析单个卵细胞或早期胚胎中的纺锤体，并测量目前在体外受精等治疗中尚未评估的性质，从而为卵子或胚胎的发育潜力提供信息。

研究人员同时提到，更深入理解纺锤体也可能与癌症治疗相关。Kelleher称，癌细胞持续分裂，常见策略是使用优先损害分裂细胞的药物，而许多化疗药物的靶点正是纺锤体，因此理解其工作机制、失效方式以及药物如何影响其行为具有意义。

在方法上，研究团队将理论与实验数据结合以完成检验。研究人员指出，光学显微镜可对活细胞成像并追踪纺锤体动态，但分辨率不足以直接观察单根微管；电子显微镜可观察更微小结构（如单根微管），但难以在活细胞中追踪随时间变化的动态过程。团队生成了新的光学显微数据，并整合了合著者此前的电子显微实验结果，从而同时获得空间细节与时间动态信息。

论文称，在两组数据中，活性液晶理论能够较准确预测纺锤体组织的关键特征，包括整体形状、微管取向以及密度分布。但研究也报告了局限：对一类连接染色体、约占微管总数15%的动粒微管（kinetochore microtubules），该理论未能完全捕捉其物理特性。Maddu表示，这意味着可能存在尚未被当前理论纳入的机制，团队尚不清楚具体原因。

此外，研究人员还指出一个难以充分检验的“极限”：当观察尺度小于300纳米时，微管网络规模显著缩小、微管数量减少且不再呈现重叠结构，纺锤体行为更难用现有理论预测。

研究团队表示，下一步将聚焦揭示动粒微管相关的物理机制，并完善对整体纺锤体行为的预测模型。该研究由哈佛大学的Mustafa Basaran与Daniel Needleman（同时为CCB高级研究科学家）、德累斯顿工业大学的Thomas Müller-Reichert以及Flatiron研究所的Michael Shelley共同署名。研究亦属于CCB内部名为CCBx的项目，旨在联合理论学家与实验学家共同开发并检验生物系统理论。Kelleher称，研究过程中多次需要返工实验并补充新数据，紧密合作是工作得以推进的关键条件。