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人造“跑道”解释细胞迁移的基本生物力学原理

来源:中检健康 编辑:中检健康 时间:2020-05-18

奥地利科学技术研究所在《Science》发表文章,揭示了细胞迁移的基本生物力学原理。这篇文章特别介绍了一款创新性的微流控装置,允许研究人员分析细胞在是否有粘附的情况下迁移的运动机制。

由于疫情全球停止了大规模迁徙,然而我们体内的某些细胞仍在长距离奔跑:不幸患上肺炎时,手指上的普通伤口也会触发白血球立即从血管移至患处。同样的,癌细胞可以起源于任何组织或器官,也可以在远离起源地传播和繁殖,即转移。

生物体内的每个细胞通过质膜上的特异性粘附受体与周围细胞结合,作为细胞和其周围环境之间的通用“粘合剂”,粘合受体(或称整合素)要么在细胞需要保持不动时起稳定作用,要么在细胞爬行时起锚定作用。但是,某些类型的细胞,例如白细胞,如何能在不同组织中灵活爬行呢?这些组织由非常不同的分子组成,这些分子不一定都能与粘附受体相匹配。

用“胶水”和不用“胶水”

研究小组将实验与物理模型结合,描述了一种新发现的细胞运动机制,这种机制完全独立于细胞与细胞外环境的特异性结合,而是利用环境的几何学来推动自身。

生物学家使用了不同类型的白细胞,敲除了整合素的功能,从而中断这些细胞与细胞外环境之间的结合。过去认为整合素对细胞生存和移动都是必不可少的,但研究小组之前的研究发现,白细胞可以在没有整合素的情况下运动和生存,一些癌细胞也是如此。

研究人员设计了具有不同壁形的可供微小细胞通过的“微流控”通道,包括完全光滑到粗糙或锯齿状的壁。然后让细胞自主通过这些通道,倘若壁光滑平整,缺失整合素的细胞就无法向前移动。“这些细胞原地打转,就像汽车轮胎在冰面上一样,”文章一作Anne Reversat说。“但是当壁上有凸起时,细胞即使没有整合素也能比较有效地迁移,携带整合素的细胞既可在光滑通道也可在粗糙通道迁移。”

在这种情况下,Reversat等人揭示了一个统一的机理:肌动蛋白从细胞前端流向细胞尾部,“逆行肌动蛋白”是细胞移动的内在力量,一旦与环境耦合,就会推动细胞向前运动。力耦合可以通过穿透质膜的整合素发生,从而连接细胞内肌动蛋白和细胞外基质。

正如科学家观察到的,肌动蛋白不仅能通过整合素进行力耦合,也可以在没有任何跨膜受体的情况下进行耦联。

“逆行流产生细胞内剪切力,当哪有凸起时,剪切力就会推动通道侧壁,如果壁是平滑的,或者凸起之间间隔太远,这种机制就不起作用。另一种方法是,细胞通过改变自身形状来推动位移。白细胞在希腊语中是‘变形虫样细胞(amoeboid)’,由于组织的精细结构在几何上非常复杂,因此白细胞经常依靠这种运动方式去到它想去的地方。这使得它们具有极大的适应性,基本上,想去哪就能去哪。”

原文检索:Cellular locomotion using environmental topography

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