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研究揭示了一种在软“粘弹性”表面上的细胞迁移的独特模式

时间:2021-05-11 12:03

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在你的体内,细胞运动在许多重要的生物过程中起着至关重要的作用,包括伤口愈合、免疫反应和癌症的潜在扩散。

“大多数人不会死于原发性肿瘤,”Kolade Adebowale说,他是化学工程研究生,也是斯坦福大学人类健康化学、工程与医学(ChEM-H)化学生物学界面(CBI)研究生项目的一员。“问题是当来自肿瘤的癌细胞获得转移或移动到身体不同部位的能力时。”

作为推进细胞迁移研究的尝试,Adebowale和他在斯坦福大学机械工程副教授Ovijit Chaudhuri实验室的同事们致力于开发和测试新型材料,这种材料能够很好地模仿细胞周围的真实组织。在这项研究的基础上,发表于4月19日 自然材料,颠覆了细胞迁移的“教科书”观点,更好地了解材料的弹性和粘性特性对细胞的影响。

该论文的主要作者阿德波瓦勒说:“我们发现,如果癌细胞在一个非常坚硬的塑料上,或者在一个柔软的粘弹性材料上,比如果冻上,会产生很大的不同。”“这增加了许多最近的证据,表明癌症的行为不仅与癌细胞有关,还与癌细胞相互作用的环境有关。”

像橡皮泥

细胞迁移的研究传统上是在一种叫做“组织培养塑料”的透明硬聚合物上进行的,或者像软性隐形眼镜那样的弹性水凝胶。基于这些研究,目前的观点是,细胞不能在太软的水凝胶上迁移。然而,研究人员的目标是模拟细胞在其上移动的真实生物组织,这种组织是柔软的,不像橡皮筋那样是纯弹性的,而是粘弹性的。

“它们是固体材料,但它们也有粘性和液体特性,允许它们在更长的时间跨度内流动,”Adebowale说。

乔杜里说,为这项研究创造的粘弹性材料包括面包面团、马苏里拉奶酪和橡皮泥。这些材料最初抵抗变形,就像弹性材料一样,但随着时间的推移,这种阻力会黏滞地松弛。

当研究人员研究癌细胞在更像组织的底物上的运动时,结果与现有的预期相矛盾。

“我们发现,当基质是粘弹性时,细胞可以相当稳定地迁移,即使基质很软,”乔杜里说,他是该论文的资深作者。

这项研究不仅发现细胞可以在柔软、粘弹性的基质上迁移,研究人员还发现这种迁移运动是独特的。在像组织培养塑料一样坚硬的二维表面上,细胞粘附在表面并形成扇形突起。这种突起被称为“板缘”,它通过向前延伸前缘并推离表面来驱动向前运动。在该团队创造的粘弹性材料中,细胞没有如此广泛地扩散。相反,它们使用被称为丝状伪足的细尖状突起来驱动它们的运动。此外,他们的实验显示,这些细胞使用所谓的“分子离合器”在基质上迁移。

“想象你在冰上移动。如果你在冰面上没有足够的附着力,试图逃跑,你将无处可去。”乔杜里说道。“你真的需要一个强有力的抓地力来推进和前进。这就是分子离合器对细胞的作用。”

在坚硬的组织培养塑料上,稳定迁移的细胞与基质形成强烈的粘附。作者观察到,在柔软的粘弹性基质上的细胞也能够稳定地移动,但重要的是,这些细胞能够在更少的粘连下做到这一点——就像这些细胞是在脚尖上移动,而不是整个脚。

阿德波瓦勒说:“我认为最令人惊讶的是这种材料的特性——粘弹性——能够对细胞迁移能力产生如此巨大的影响。”

粘弹性与细胞培养

研究人员观察到的细胞迁移模式在硬基质或只有弹性的基质上是看不到的,这一事实表明粘弹性对细胞的行为是至关重要的,因此在未来的研究中复制是很重要的。

“这挑战了我们如何理解细胞迁移的教科书观点,”Chaudhuri说。“细胞在粘弹性组织上的迁移方式与在玻璃、塑料培养皿或弹性凝胶上的不同。所以,如果我们想研究细胞迁移,我们需要使用粘弹性基质。”

虽然这项研究关注的是单细胞迁移,但癌细胞在体内是作为一个群体迁移的,在发育的各个阶段都涉及细胞的集体运动。接下来,研究人员希望回答粘弹性如何影响细胞集体迁移的问题。