普林斯頓大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種設(shè)備，該設(shè)備使用電場(chǎng)來使細(xì)胞像羊群一樣成群結(jié)隊(duì)地移動(dòng)。這段延時(shí)視頻顯示了在顯微鏡下觀察 8 小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，一層細(xì)胞發(fā)生了 90 度的旋轉(zhuǎn)

01：訓(xùn)練一支牧羊犬

科學(xué)家們?cè)缇椭溃w內(nèi)自然發(fā)生的電化學(xué)信號(hào)會(huì)影響細(xì)胞的遷移、生長(zhǎng)和發(fā)育——這種現(xiàn)象被稱為趨電性。這些行為不像對(duì)細(xì)胞化學(xué)濃度差異做出反應(yīng)的趨化性那樣被理解。現(xiàn)在主要的阻礙是缺乏實(shí)用的工具來嚴(yán)格檢查細(xì)胞對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)。

一種新系統(tǒng)由廉價(jià)且現(xiàn)成的部件組裝而成，使研究人員能夠以可靠和可重復(fù)的方式操縱和測(cè)量培養(yǎng)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)。在去年發(fā)表于《Cell Systems》上的一篇論文中，普林斯頓團(tuán)隊(duì)描述了使用該設(shè)備進(jìn)行組裝和初步研究，他們稱之為SCHEEPDOG（牧羊犬）裝置。

主要作者、博士后研究員湯姆扎伊德爾說，以前用于研究細(xì)胞對(duì)電場(chǎng)反應(yīng)的系統(tǒng)“要么是定制的，要么是手工制作的，存在可重復(fù)性問題，或者需要制造設(shè)備，使它們變得昂貴且許多實(shí)驗(yàn)室無法使用。我們想使用快速原型制作方法來制作一個(gè)定義明確的設(shè)備，可以將其夾在培養(yǎng)皿上?！盨CHEEPDOG設(shè)備包含兩對(duì)電極，用于沿水平和垂直軸產(chǎn)生電場(chǎng)，電壓水平接近普通的AA電池。

有證據(jù)表明，逆轉(zhuǎn)自然電場(chǎng)的方向可以抑制動(dòng)物模型中的傷口愈合，而放大現(xiàn)有電場(chǎng)可能會(huì)改善愈合。

“在單個(gè)細(xì)胞層面上仍有許多未知的領(lǐng)域需要我們?nèi)ヌ剿鳎后w動(dòng)態(tài)的美妙之處在于，即使你不了解個(gè)體的一切，你依然可以在群體層面設(shè)計(jì)行為以實(shí)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果。”

這段延時(shí)視頻展示了在 8 小時(shí)內(nèi)在一層細(xì)胞中進(jìn)行的程序化圓圈機(jī)動(dòng)。左圖，細(xì)胞的顯微鏡圖像；中圖，他們的移動(dòng)軌跡；右圖，電場(chǎng)方向的變化

“細(xì)胞感知到的是一種虛擬角度，這使我們能夠?qū)θ魏螐?fù)雜的動(dòng)作進(jìn)行編程，比如一個(gè)完整的圓圈，”科恩說?！斑@真的很令人驚訝——這是一種驚人的控制水平，我們沒想到這是可能的，尤其是在數(shù)千個(gè)相鄰的細(xì)胞根據(jù)命令執(zhí)行這些操作的情況下。”

塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任邁克爾萊文說，這項(xiàng)研究“增加了人們對(duì)細(xì)胞對(duì)其環(huán)境生物電方面反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，它展示了一種技術(shù)，不僅可以解決單個(gè)細(xì)胞響應(yīng)生物電信號(hào)的活動(dòng)，還可以處理細(xì)胞的集體行為，這對(duì)于了解物理力如何發(fā)揮在我們胚胎發(fā)生、再生和癌癥中看到的協(xié)同作用至關(guān)重要?！?/p>

細(xì)胞→羊，電場(chǎng)裝置SCHEEPDOG→牧羊犬，科學(xué)家→牧羊人

借助SCHEEPDOG，該團(tuán)隊(duì)正在將他們的研究擴(kuò)展到不同的細(xì)胞類型和環(huán)境。研究生Gawoon Shim正在研究不同水平的細(xì)胞粘附如何影響定向細(xì)胞遷移，為受損組織中再生皮膚、血管和神經(jīng)細(xì)胞提供理論基礎(chǔ)。

“這是我們可能需要的任何愈合和再生的第一步”，在各種臨床背景下，該研究的共同主要作者Shim說?！拔覀冋趯W(xué)習(xí)如何將細(xì)胞引導(dǎo)到我們需要它們的地方，然后我們可以弄清楚它們之后要做什么?！?/p>

02：解開牽繩

現(xiàn)實(shí)生活中傷口愈合時(shí)，細(xì)胞層面的景象

在之前的初步研究中，他們發(fā)現(xiàn)，使用成熟的皮膚細(xì)胞不像游行樂隊(duì)那樣以響應(yīng)電流的速度和精確度移動(dòng)，而是像一群人與鄰居手牽手一樣緩慢移動(dòng)。

成熟的皮膚也帶來了另一個(gè)問題：一旦細(xì)胞的前緣前進(jìn)，它就會(huì)從培養(yǎng)皿上剝離并死亡?！叭绻銘?yīng)用的命令與細(xì)胞自然"想要"做的事情不同，你就會(huì)陷入一場(chǎng)拔河比賽，”科恩說?！敖Y(jié)果是組織自己撕裂了自己。”

科恩和Shim懷疑細(xì)胞之間的“握手”阻止了組織流暢地遵循電命令。這些握手是稱為鈣粘蛋白的蛋白質(zhì)，可將相鄰細(xì)胞固定在一起。它們使組織具有凝聚力，因此它們可以一起移動(dòng)，但當(dāng)細(xì)胞沒有空間移動(dòng)時(shí)也會(huì)造成交通擁堵。

鈣粘蛋白需要鈣離子來完成它們的連接，因此Shim用不同量的鈣培養(yǎng)細(xì)胞并測(cè)量它們對(duì)電刺激的反應(yīng)。她發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中的鈣越少，它們的液體就越多，移動(dòng)的速度也就越快?！八M(jìn)行得非常快——我非常驚訝，”Shim 說。

在確定了細(xì)胞粘附性的基本規(guī)則后，研究人員開發(fā)了一種解決細(xì)胞粘附性問題的方法。Shim在高鈣溶液中生長(zhǎng)了一層皮膚細(xì)胞，因此它們建立了正常的連接。然后她用一種化學(xué)物質(zhì)處理細(xì)胞，這種化學(xué)物質(zhì)可以吸收鈣離子以打破細(xì)胞握手。當(dāng)Shim降低鈣水平并施加電場(chǎng)時(shí)，細(xì)胞會(huì)按照指令移動(dòng)。最后，她又恢復(fù)了高鈣水平以恢復(fù)握手，從而形成健康而有凝聚力的皮膚細(xì)胞層。

03：讓它們吃草

經(jīng)過改進(jìn)后的細(xì)胞遷移活動(dòng)

紐約大學(xué)數(shù)學(xué)和生物學(xué)教授亞歷克斯·莫吉爾納 (Alex Mogilner) 說：“科恩實(shí)驗(yàn)室的這項(xiàng)簡(jiǎn)潔而令人興奮的研究得出了一個(gè)直觀但以前未知的教訓(xùn)：如果細(xì)胞的相互凝聚力較弱，則集體遷移的細(xì)胞更容易遵循方向線索。這篇論文不僅是基礎(chǔ)科學(xué)，而且具有深遠(yuǎn)的生物醫(yī)學(xué)意義...... 大家不僅詢問細(xì)胞如何做到這一點(diǎn)，還詢問我們?nèi)绾尾倏v細(xì)胞并使它們做得更好?！?/p>

接下來，Shim和科恩計(jì)劃從他們的二維模型轉(zhuǎn)變?yōu)?3D 模型。例如，人的皮膚由不同的組織組成，很像一塊蛋糕。根據(jù)這些技術(shù)在 3D 皮膚模型中的工作方式，結(jié)果可以表明相同的方法是否適用于實(shí)際傷口。許多組織使用鈣粘蛋白握手將細(xì)胞粘在一起，但還有其他組織保持連接的方式。

這項(xiàng)工作不僅可以用于幫助傷口更快愈合，還可以微調(diào)愈合過程以防止緊繃和減少疤痕。

“我們開始使用這種溫暖和模糊的方法來設(shè)計(jì)群體行為，讓我們看看組織想要做什么并與之協(xié)調(diào)。事實(shí)證明，這太簡(jiǎn)單了，”科恩說。“有時(shí)，細(xì)胞們不想好好聽你的。而有時(shí)，你只需要改變一下規(guī)則?！?/p>

參考資料：

[1] Shim G, Devenport D, Cohen D J. Overriding native cell coordination enhances external programming of collective cell migration[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(29).[2] Zajdel T J, Shim G, Wang L, et al. SCHEEPDOG: programming electric cues to dynamically herd large-scale cell migration[J]. Cell systems, 2020, 10(6): 506-514. e3.[3] Zajdel T J, Shim G, Cohen D J. Come together: On-chip bioelectric wound closure[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2021, 192: 113479.

排版：原能細(xì)胞-EAIS

編譯：原能細(xì)胞-EAIS

標(biāo)簽： 研究人員 傷口愈合