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细胞也能成为走迷宫的高手？

晰数塔互联网快讯
2020-08-28 09:28

本文来自微信公众号：学术经纬（ID：Global_Academia），编辑：药明康德内容团队，题图来自：《科学》杂志

今日，最新一期《科学》杂志发表了一项很有意思的研究：一支来自英国的团队分别让胰腺癌细胞与细菌 “走迷宫”。有趣的是，这两类不同的细胞还真能找到出口。这是为啥？

▲细胞花了一个多小时，走出了这个迷宫（图片来源：参考资料[1]）

在解释细胞的特殊寻路本领前，我们先来了解下科学家们为啥要让细胞走迷宫。长久以来，科学家们就想知道细胞如何进行长距离的迁徙。这对理解胚胎发育，或是癌症的转移，都有重要的意义。早期的研究发现，细胞具有一定的趋化性，也就是会依照某种化学分子的浓度梯度进行迁徙。这就好像人想要走出黑暗的山洞，就要朝着光线逐渐变强的方向前进。

然而，简单的趋化性无法解释很多复杂的现象。比如有时细胞需要长途跋涉，前往身体的另一端。难道身体的两端之间，有着严格的化学分子浓度梯度吗？显然，这是不现实的。另外，细胞的迁徙道路并非是“直达”，路上还有很多岔道。它们又要怎样找到正确的道路，避免误入歧途？

▲细胞不但能走出迷宫，还会寻找最短的路径（图片来源：参考资料[1]；不同颜色代表不同的时间，蓝色代表进入迷宫的早期，红色代表后期）

基于这些问题，研究人员们对“趋化性”模型进行了优化，指出细胞可以将周围吸引它们的趋化分子进行降解，人为创造更强的浓度梯度出来。打个比方，比如某种细菌会从糖分子浓度较低的地方，移动到糖分子浓度较高的地方。

但如果周围糖分子的浓度都很高，没有明显的高低，它就无所适从，失去了前进的方向。但要是它一边走一边吃，走过的道路上，糖分子的浓度就会变低。这样一来，它们就知道，继续往前走，才能吃到更多的糖。

▲两种不同情况的模拟。上图为简单来自环境的浓度梯度，下图为降解趋化分子后自发产生的浓度梯度（图片来源：参考资料[1]；不同颜色代表不同的浓度，紫色为最高，白色为最低）

▲实际观察到的细胞运动情况‍（图片来源：参考资料[1]）

研究人员们表示，这种通过降解趋化分子来自寻道路的做法，比起简单依靠大环境的浓度梯度，可以让细胞前进得更为主动，也让长途跋涉有了理论上的依据——细胞不需要全身性的化学分子浓度梯度。它只要“逢山开路，遇水搭桥”，随时产生驱动其前行的浓度差即可。

而且，这个模型还能解释细胞如何选择正确的道路，这正是最初科学家们让细胞走迷宫的原因。理论上说，如果在细胞面前有两条同样的开放式道路，它们会自我达成平衡，做到兵分两路——前往其中一条路的细胞多了，这条道路中的趋化分子总体水平就会降低。这样一来，细胞就会被另一条道路里的趋化分子所吸引，达成微妙的动态平衡。

而如果前方有一条是死胡同，里头的趋化分子会很快被先头部队所降解光。这样一来，后续的细胞就知道此路不通，纷纷转向正确的道路。

▲通过感知趋化分子的浓度变化，细胞可以自行规避死胡同（图片来源：参考资料[1]）

▲死胡同越短，细胞能越快做出判断（图片来源：参考资料[1]）

▲死胡同越长，细‍胞也越容易迷路……（图片来源：参考资料[1]）

更神奇的是，由于趋化分子本身会向四周扩散，这些细胞在道路的分支处，就可以提前对其进行降解，并由此判断出哪一条是死路。研究人员们也指出：趋化分子的扩散速度越快、细胞本身移动的速度越慢、或是死路越短，细胞做出正确判断的几率也越高。

▲只要掌握了诀窍，再复杂的迷宫也没问题（图片来源：参考资料[1]）

综合来看，研究人员们指出由细胞自行产生的趋化分子浓度梯度，能让细胞高效在复杂的道路中穿梭。如果能理解细胞如何与其他细胞、趋化分子、以及所处的环境进行互作，就能更好地理解细胞在体内的迁徙。这能帮助我们搞明白很多生理发育过程，以及像癌症转移这样的病理过程。

参考资料：

[1] Luke Tweedy et al., (2020), Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown, Science, DOI: 10.1126/science.aay9792

本文来自微信公众号：学术经纬（ID：Global_Academia），编辑：药明康德内容团队