PNAS|研究人员发现细胞如何移动同时避免粘附

众所周知，细胞的速度，或者说细胞移动的速度，取决于它下面的表面有多粘，但这种关系的确切机制几十年来一直是难以捉摸的。

糖蛋白条上移动的癌细胞：这些条的作用就像夹板，可以更好地控制和研究细胞的运动。

图片来源：慕尼黑路德维希马克西米利安斯大学Rädler实验室

现在，来自亥姆霍兹协会（MDC）的马克斯·德布吕克分子医学中心（Max Delbrück Center for Molecular Medicine）和路德维希·马克西米利安斯大学（Ludwig Maximilians Universität München）的研究人员已经计算出了精确的力学，并开发出了一个数学模型来捕捉参与细胞运动的力。这一发现发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，为发育生物学和潜在的癌症治疗提供了新的见解。

细胞运动是一个基本的过程，尤其是在发育过程中，当细胞分化成目标细胞类型，然后移向正确的组织时，细胞运动是一个关键的过程。细胞也会移动来修复伤口，而癌细胞则会爬到最近的血管，扩散到身体的其他部位。 “

我们开发的数学模型现在可以被研究人员用来预测不同细胞在不同基质上的行为，”马丁·法尔克教授说，他是MDC数学细胞生理学实验室的负责人，也是这项研究的共同负责人对这些基本运动的精确理解可以为阻断肿瘤转移提供新的靶点。”

联手锁定 

这一发现得益于LMU的实验物理学家和MDC的理论物理学家的合作。由Joachim Rädler教授领导的实验人员跟踪了15000多个癌细胞在粘性表面上沿着狭窄的小道移动的速度，粘性在高低之间交替。这使他们能够观察细胞在粘性水平之间的转变，这更能代表体内的动态环境。

然后，Falcke和Behnam Amiri，第一篇论文的共同作者，也是Falcke实验室的博士生，利用这个大数据集建立了一个数学方程来捕捉形成细胞运动的元素。 阿米里说：“以前试图解释细胞迁移和运动的数学模型非常具体，它们只适用于一种特征或细胞类型。”我们在这里试图做到的是尽可能简单和笼统。” 这种方法的效果甚至比预期的要好：该模型与LMU收集的数据相匹配，并适用于过去30年中对其他几种细胞类型的测量。”“这是令人兴奋的，”法尔克说很少有理论能解释如此大范围的实验结果。”

摩擦是关键 

当一个细胞移动时，它会沿着移动的方向推出它的膜，在移动的过程中扩张肌动蛋白丝的内部网络，然后从它的后端剥离。这种情况发生的速度取决于细胞与细胞表面之间形成的粘附键。当没有键时，细胞就很难移动，因为肌动蛋白网络没有任何东西可以推动。原因是摩擦：“当你在溜冰时，你不能推一辆车，只有当你的鞋子和地面之间有足够的摩擦时，你才能推一辆车，”法尔克说。

随着键的数量增加，产生更多的摩擦，细胞可以产生更多的力，移动得更快，直到它变得如此粘稠时，它变得更加难以拔出后端，使细胞再次减速。 研究人员调查了当细胞的前端和后端经历不同程度的粘性时会发生什么。

他们特别好奇的是，当电池后端比前端更粘的时候，会发生什么情况，因为那时候电池可能会被卡住，无法产生足够的力来拉出后端。 如果粘附键更像螺丝钉，将细胞固定在基底上，可能就是这种情况。起初，Falcke和Amiri在他们的模型中加入了这种“弹性”力，但这个方程只适用于摩擦力。 “

对我来说，最具挑战性的部分是让我的思想围绕着这个只在摩擦力作用下工作的机制，”Falcke说，因为细胞没有什么可以牢牢抓住的。但正是这种类似摩擦力的力量使细胞能够不断移动，即使背面的结合力比前面强，像透明胶带一样慢慢地剥落。”法尔克说：“即使你用微弱的力拉一点，你仍然能够非常缓慢地把胶带撕下来，但它会脱落。”这就是细胞如何防止自己陷入困境。”

研究小组现在正在研究细胞是如何在两个维度上运动的，包括它们是如何艰难地左右转弯和U形转弯的。

More information: Christoph Schreiber el al., On the adhesion–velocity relation and length adaptation of motile cells on stepped fibronectin lanes, PNAS (2020). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2009959118

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