細胞走迷宮- 細胞導航的原理

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人體內部就如同一個龐大複雜的迷宮,細胞到底是如何長途跋涉跨越千山萬水到達目的地的呢?在2020年8月發表在科學雜誌進行了研究了細胞導航的方法,研究團隊利用盤基網柄菌 (Dictyostelium discoideum, Dicty),一種呈現阿米巴原蟲外型與生活方式的黏菌生物,另一種則是小鼠胰腺癌細胞(murine pancreatic cancer (-kras -p53))進行細胞導航的研究。

從過去的研究可以得知細胞以及一些原生動物是靠著趨化性(chemotaxis)導航,他們可以根據特定化學物質的濃度變化找尋目標。動物的嗅覺系統也是從趨化性逐漸演變而來的。但這種濃度梯度的變化,會隨著距離拉長而消失,細胞導航 研究就是為了觀察細胞如何進行長途的遷徙,有助於我們預測癌細胞的轉移路徑。

圖1. 細胞靠著分解特定化學物質產生前後化學梯度的不同,用以辨識走過的路徑,就跟小精靈遊戲相同。

研究團隊發現,細胞的移動方式就如同音速小子或是小精靈一樣,不斷地吃前方的金幣或圓點。細胞也會不斷的分解前方的特定化學物質,這樣前方的化學濃度就比較高,後方的濃度比較低,細胞就能跟著特定化學物質找到目標。

圖2. 細胞通過使用自體產生的趨化性識別捷徑來解決迷宮問題。

(上)盤基網柄菌解決了漢普頓宮的迷宮問題。

(下)細胞使用自己生成的梯度變化來感應捷徑並選擇一條最短路線。細胞從左側進入,在右側退出。

時間由細胞顏色表示;藍色表示較早的時間,紅色表示較晚的時間。

結果

真實的細胞行為與快速移動的基網柄菌和緩慢移動的胰腺癌細胞非常吻合,基網柄菌花了1小時走完迷宮,而在環境中他們相隔很遠。胰腺癌細胞則花了數天,轉移癌細胞只在人體周圍擴散。

這表示一般細胞也可套用這樣的機制。特別是簡單模型忽略了引誘劑的擴散性,對細胞的反應至關重要。研究團隊模擬並構築了“容易”和“困難”的迷宮,它們看起來相似,但細胞引起的尋路方法卻截然不同。迷宮有長短不一的死路以及分叉路口,一些細胞會選擇分解堆積在死路的化學物質,其他細胞則會移動到其他有誘導物質的分叉路口。

研究學者發現,細胞遇到的環境的詳細結構會嚴重影響其準確轉向的能力。在多數情況下,自生梯度可讓細胞以直觀上似乎不可能的精度進行操縱。迷宮設計中似乎很少發生意外變化,使得細胞的準確性和最終目的地是可被數學和計算方法準確預測的,因此這是普遍現象並適用於任何細胞降解引誘劑反應的系統。該機制與多頭絨泡菌 (Physarum polycephalum)解決迷宮的方法完全不同,這取決於在清除無用路徑之前,多頭絨泡菌會同時沿所有分支向下遷移。

在體內發生趨化性的許多情況下,例如,嗜中性白血球擴散到組織中的感染部位或通過胚胎遷移的生殖細胞,具有相當複雜的遷移路徑。同樣,引誘劑降解的發生也很普遍,例如免疫,發育和癌症。趨化細胞具有多種機制用於分解引誘劑,包括受體-配體的胞吞作用,誘騙受體,和細胞表面的酶降解引誘。配體分解在解釋趨化性的空間模式時很少考慮,因為其影響可能是複雜的,違反直覺的並且難以測量,但是研究的結果表示需要對其進行分析和理解。

此外,許多細胞不僅會產生引誘劑而且還會使其降解,另外引誘劑可能會獨立影響行為。需要分析這些複雜的過程和違反直覺過程之間的相互作用,這表示在生物學的未來,計算模型與定量實驗測量相互結合會帶來關鍵作用。這對於理解複雜的體內環境中的遷徙行為可能至關重要;例如,嗜中性白血球滲入組織,黑色素母細胞通過胚胎真皮的遷移,或膠質母細胞瘤通過腦白質束的轉移。

結論

總而言之,細胞對化學引誘劑的降解與迷宮結構之間的相互作用說明了細胞在復雜環境中如何長距離導航。自生的趨化性化學梯度代表了一種未被充分研究的現象,可能可以為許多無法解釋的生理行為提供答案。

Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown

參考文獻

Tweedy, L., Thomason, P. A., Paschke, P. I., Martin, K., Machesky, L. M., Zagnoni, M., & Insall, R. H. (2020). Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown. Science369(6507).

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