研究人员发现细胞迁移的工作原理超出了力的产生
一位专注于机械工程和材料科学的教授发现，当细胞群体附着在具有对齐胶原纤维的软表面上时，它们可以以更少的力更快地移动。
在机械生物学领域，长期以来人们一直认为细胞施加的力量对于其有效功能至关重要，包括快速运动。然而，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的一组研究人员挑战了这一观点，展示了细胞可以在产生较少力量的情况下更快地迁移，从而破坏了传统的细胞运动中力量作用的看法。
阿米特·帕塔克（Amit Pathak）教授的实验室观察到，与随机纤维排列相比，细胞簇在对齐胶原纤维的表面上移动的速度可以快超过50%。此前，细胞被认为在与其环境中的摩擦和阻力作斗争时需要产生持续的力量。然而，在理想的环境条件下，例如当纤维对齐时，这种对力量的传统需求似乎被削弱了。这一重要发现于1月9日发表在《PLOS计算生物学》上，标志着这种行为在集体细胞迁移中首次被记录。
多年来，帕塔克及其研究团队一直在研究人类乳腺上皮细胞的运动模式。他们发现，细胞在坚硬表面上倾向于更快地移动，但在柔软表面上则遇到困难，导致其运动出现延迟。他们的研究结果可能对理解癌症转移和伤口愈合具有潜在影响。
在最近的研究中，研究人员确认细胞在结构化胶原纤维上的迁移速度明显快于在无序纤维上。此外，还观察到，这些细胞依赖于对齐的纤维作为方向指示器，以促进其集体迁移。
帕塔克指出：“我们很好奇，细胞是否可以在没有摩擦的情况下保持高速而不产生更多的力量。我们的结论是，环境起着至关重要的作用。我们最初预期细胞在对齐纤维上会迅速移动，类似于火车使用轨道的方式，但发现细胞在仍然更快地移动的同时施加的力量却更少，这令我们感到惊讶。”
阿姆里特·巴格奇（Amrit Bagchi），帕塔克实验室的一位前博士生，于2022年获得机械工程博士学位，他对这项研究做出了重要贡献。在COVID-19疫情期间，他在能源、环境和化学工程副教授马库斯·福斯顿（Marcus Foston）的实验室中精心开发了一种软水凝胶。他在医学学院使用特殊的磁铁对其进行了纤维排列，然后将细胞放置在水凝胶上以监测其运动。
巴格奇设计了一种分层电机-离合器模型，其中细胞的发力机制充当电机，而离合器提供牵引力。他通过融入三层结构（一个用于细胞，一个用于胶原纤维，第三个用于下面的凝胶），将此模型适应于集体细胞行为，以确保所有层无缝互动。
“实验结果最初让我们感到惊讶，”巴格奇表示。“然而，这些发现激励我们创建一个理论模型，以解释这一意外行为的物理学。我们逐渐意识到，细胞将对齐的纤维视为一种摩擦阻力，其运作方式与随机纤维的情况显著不同。我们模型的基质机械感知和力量传递原则也预示了集体迁移中其他已知行为，如触趋和硬度趋，提供了一个有机的框架供研究人员进行调查，并有可能应用于其他有趣的细胞迁移问题。”
