模拟细胞迁移揭示癌细胞如何在组织中导航

在间充质细胞迁移过程中，癌细胞像壁虎一样在墙上移动。

物理学家解释说，在选择这种运动模式之前，细胞会确定它可能粘附的表面的大小卡普兰最低点．如果表面不是太硬或太软，向前的路径也不是太紧，圆形细胞就会迅速生长出突起，就像临时的四肢一样，向前伸出并粘在表面上。然后，细胞会向前拉自己，然后收回它的后部，重复这个过程。

这种迁移模式是癌细胞在转移过程中穿越组织的一种方式。在一项研究中生物物理期刊，博士后物理系研究员舒文亚和卡普兰是物理在理学院，通过细胞模拟和数学建模探索了间充质迁移。他们的目标是:更多地了解癌细胞如何评估周围组织的硬度，并适应它们壁虎般的运动作为回应。

Shu说，该模型及其对间充质迁移的见解是了解癌细胞整体如何迁移的第一步。细胞迁移是复杂的:细胞使用多种迁移模式，包括单个和菌落。“这就是在这里提出计算模型的优势，”他说。“我们可以剖析许多成分在起作用的影响。”

实验表明，在间充质细胞迁移过程中，细胞根据硬度来调整它们在组织中的导航方式:它们被吸引到既不太硬也不太软的组织表面或基质上。细胞不能生长并有效地将其突出物附着在太硬的基质上，如果细胞抓住太软的组织，它们最终会把它拉回身体，而不是利用它来推动自己前进。Shu和Kaplan的细胞模拟支持了这些实验发现。

他们的模拟向研究人员证实，细胞通过将其自身软组织的物理特性与软表面进行比较来区分软表面和硬表面。基质材料的性质将会影响细胞的方向以及它们移动的效率。

为了确保模型准确地模拟癌细胞的迁移，Kaplan和Shu不仅构建了细胞如何响应组织的底物力学，还构建了细胞如何调整内部生化信号。在组织导航时，细胞也可能对体内营养源的分泌物做出化学反应。Shu说，研究人员的模型是第一个模拟细胞运动的这两种驱动因素是如何发挥作用的。

研究人员发现，无论整体运动是否有效，细胞都更喜欢向由其强烈的内部化学信号决定的方向移动。但如果没有强烈的化学信号来追踪，他们就会专注于底物的性质。

通过将这些间充质细胞迁移的元素拼凑在一起，并在一个模型中重现它们，卡普兰看到了更好地理解和确定转移如何以及在哪里发生的进展。

转移也可能涉及多种细胞迁移模式。间充质迁移往往是通过组织和进入血管的初始迁移模式，但细胞经常转向变形虫迁移。细胞在前一种模式下像壁虎一样移动，而后者让它们更像坦克履带。“他们只是向前滚动，”卡普兰说。

Kaplan说，化疗在间充质细胞迁移中对癌细胞有效，但当细胞转向变形虫迁移时效果就不那么好了。为了让实验人员理解这种转变，他们首先需要更好地掌握间充质模式。

这就是我们在这方面取得的进展。”

接下来，Shu和Kaplan希望利用这个模型来研究细胞与细胞之间的相互作用是如何影响迁移的，因为单个细胞相互碰撞并引发它们方向的变化。他们还想了解细胞如何在微环境中通过更弯曲、更狭窄的通道。

每一次更紧密地模拟细胞迁移的努力，都使研究小组更接近于了解癌细胞是如何侵入人体的。卡普兰说:“我们希望提出一种预测模型，可以产生新型的定性行为，来解释更多的测量并激发新的实验。”

“实验是相当全面的，但它们明显受益于模拟。例如，当涉及到解决这些细胞变形动力学中非常小的时间尺度时。我们基本上正在识别所有这些成分。”

参考:舒伟，卡普兰CN。粘弹性基底上力学敏感迁移的多尺度全细胞理论。Biophys J．2023, 122(1): 114 - 129。doi:10.1016 / j.bpj.2022.11.022

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