細胞遷移記憶效應的研究

董曉斌 胡松鈺

【摘 要】細胞遷移現象在許多生理與病理過程中起著重要的調節作用，但人們對其動態過程和分子機制的研究尚遠未完善。最近，隨著微流控芯片等單細胞研究技術的發展，細胞遷移中的記憶效應研究取得了新的突破，并引發了重要關注。本文將對常用的細胞遷移實驗技術和細胞遷移記憶效應研究方面的主要進展作出介紹，并闡述目前研究方法的不足。

【關鍵詞】細胞遷移；遷移記憶；微流控芯片

【中圖分類號】R392 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-6851（2018）08--01

細胞遷移也稱細胞爬行，是指細胞接收到外部力學等物理信號或可溶性化學物質（“趨化因子”）的濃度梯度刺激后作定向運動的行為。細胞遷移不僅是正常生長發育的基本功能之一，在胚胎發育、傷口愈合、免疫發現和腫瘤細胞轉移等生理過程中也起著重要的作用。近年來，隨著研究的深入，人們發現細胞遷移不僅受控于當前的外部刺激信號，還與細胞接受刺激前的內部記憶信息有關。鑒于在相關疾病診斷和治療中的巨大相關性，細胞遷移過程及其詳細分子機制的研究一直是人們研究的重要內容。本文將從傳統細胞遷移實驗技術入手，對當前細胞遷移記憶效應的研究方法和相關的主要前沿進展作出介紹，以期為相關讀者提供有價值的參考。

1 細胞遷移實驗技術

1675年，顯微技術的先驅人物安東尼·凡·列文虎克往英國皇家學會寄出的一封信里描述了細胞的運動，揭開了人們對細胞遷移研究的嶄新一頁，在此后的300多年時間里，科學家們發明了各種技術來研究其過程機理。（1）基于體內的方法：通常采用斑馬魚和小鼠的動物模型，研究腫瘤等細胞在生物體內的侵染遷移過程、機制及控制方法。近來，也有文獻報道了在雞胚中研究神經嵴細胞遷移的模型。神經嵴細胞從神經管脫離時，經歷了上皮細胞-間充質細胞轉換的過程，此過程與癌細胞從原發瘤逃逸進入循環系統的過程類似。因此，此模型可為研究癌細胞的轉移機制提供大量有參考價值的信息。基于體內的方法較為直觀、準確，但成本較高，且受限于目前的體內成像技術，難以觀察到詳細的動態過程。（2）基于體外的方法：包括基于群體細胞的方法和基于單細胞水平的方法。基于群體細胞的方法主要包括細胞劃痕法、Boyden小室法和Transwell小室法等。細胞劃痕法借鑒體外細胞致傷愈合實驗模型，在體外培養的單層細胞上劃痕致傷，然后在加入藥物等實驗條件下觀察單層細胞向劃痕部位運動的遷移過程與機制。Boyden小室法根據靶細胞（單核巨噬細胞、中性粒細胞或淋巴細胞等）能夠主動遷移，穿過一定孔徑的濾膜設計而成。聚碳酸酯膜的濾膜將小室分割成上下兩部分，下面的趨化因子通過濾膜形成濃度梯度，上面的細胞則沿著梯度穿過膜孔，黏附在膜的下面，通過計數膜下表面的細胞數可分析細胞的遷移能力。Transwell小室法采用人工重構基底膜材料Matrigel覆蓋大小為3-12um左右的濾膜孔徑，使得細胞必須通過分泌水解酶并且產生變形運動才能穿過，以此實驗來模擬細胞的侵染過程。此類基于群體細胞的方法操作簡單、重復性好，但它們往往只能獲取宏觀的統計平均結果，此“平均主義”往往會掩蓋細胞個體之間的多樣性和異質性，難以深入研究細胞的微觀動態活動。基于單細胞水平的研究方法可控制單個細胞的遷移過程并進行實時有效的觀察，為研究細胞遷移的動態過程和記憶效應提供了可行的思路。

2 細胞遷移記憶效應研究方法

微流控芯片法通過設計和制備具有微流路控制功能的分析芯片產生精確可控的流體和較為穩定的趨化因子濃度梯度，并能在多參數條件完成一系列試驗，同時對單個細胞的遷移過程進行實時的觀察分析，成了目前較為常用的細胞遷移記憶效應實驗手段。但是，為確保內部流體的平穩，微流控芯片流體特征調整的時間常數往往較大，因此，難以用于研究一些暫態和動態的細胞遷移過程。

3 細胞遷移記憶效應的研究進展

Nakajima等人采用PDMS微流控芯片發現了盤基網柄菌細胞遷移過程的“后波”記憶問題，發現細胞方向感知和小G蛋白（Ras）的激活狀態不僅與環磷酸腺苷（cAMP）的濃度相關，還依賴于cAMP刺激細胞的歷史時間和濃度梯度的變化方式[1]。Takeda 等人研究了盤基網柄菌細胞經不同時間和濃度的cAMP預處理后，再次接受刺激時內部Ras的不同激活狀態和調整問題，發現了不依賴于微絲（F-actin）的Ras記憶，實驗結果較好地符合了非相干前饋網絡模型[2]。Skoge則發現當cAMP以類似于正弦半波周期性地作用在細胞上時，如果波形周期在6-10分鐘以內，細胞會表現出“忽略”后半個波形一直朝前半波作用方向運動的遷移特點，顯示了細胞遷移的記憶特性，而當波形周期在16分鐘以上時，細胞會在后半波作用下“退出記憶”并作逆向遷移，根據實驗結果，提出了自適應方向調整和雙穩態細胞記憶的耦合模型[3]。此類研究是細胞遷移記憶效應方面的突破性進展，加深了人們對細胞遷移過程機制的認識，但由于實驗方法不足等原因，人們對Ras激活、逆向遷移等環節出現記憶效應的具體動態過程和分子機理還知之甚少。

4 結語

細胞遷移過程中的記憶問題日益引起人們的重視。通過微流控芯片法，科學家已經在單細胞水平上觀察到一些令人鼓舞的新現象，但是由于細胞遷移是一個動態發展變化的過程，各響應特征持續時間較短，目前的微流控技術尚難以完全滿足研究要求，需要人們研究新的實驗方法，以期對此與人類多個病理生理過程密切相關的細胞功能作進一步的探索。

參考文獻

Nakajima A， Ishihara S， Imoto D and Sawai S.Rectified directional sensing in long-range cell migration.Nature Communications，2014，5：5367.

Takeda K， Shao D， Adler M， Charest P G， Loomis W F， Levine H， Groisman A， Rappel W-J and Firtel R A.Incoherent feedforward control governs adaptation of activated Ras in a eukaryotic chemotaxis pathway.Science Signaling，2012，5（205）： ra2.

Skoge M， Yue H， Erickstad M， Bae A， Levine H， Groisman A， Loomis W F and Rappel W-J.Cellular memory in eukaryotic chemotaxis.PNAS，2014，111（40）：14448-14453.