“研究运动的生物学家和物理学家主要集中在研究由成百上千个细胞组成的大集体如何协调它们的运动，”慕尼黑路德维希马克西米兰大学（LMU）和阿姆斯特丹维里杰大学（Vrije Universiteit）理论生物物理学副教授Chase Broedersz博士实验室的博士生David Brückner说。

“我们想知道成对的细胞在接触时是如何相互作用的，并着手用统计物理学的方法分析它们的行为。”

所有的生物过程都涉及到细胞的运动。当细胞集体运动时，它们必然会相遇。在胚胎发育过程中，细胞与邻近细胞进行通讯，以在生长中的有机体中找到自己的位置。当伤口愈合时，细胞接收到信号，移动到损伤部位，再生丢失或受损的结构。癌症的扩散需要癌细胞找到血管，将它们从来源地运走。

尽管人们对细胞相互作用的分子基础了解很多，但对相互作用细胞行为的系统级动力学却知之甚少。

Brückner和他的同事们创造了一个微观的“笼子”，他们称之为“细胞对撞机”。LMU生物物理学和软物质物理学教授Joachim Rädler的小组成员Alexandra Fink将细胞运动的研究中的几何结构策略应用到一个新的环境中。

Brückner说：“这个想法是分离两个细胞，同时允许它们以受限的方式相互作用。”

作者将单个细胞放置在细胞对撞机的两个隔间中，两个隔间之间通过一个狭窄的通道相连：一个哑铃形的结构，在这个结构中，成对的细胞被反复碰撞。

这种几何结构迫使细胞相互作用，通过扩大薄膜投影通过狭窄的通道，不可避免地导致碰撞。细胞核被荧光标记，使两个细胞的运动都能被显微镜跟踪。

Brückner说：“根据得到的实验数据，我们建立一个模型，提供细胞如何相互作用的物理描述。”

当正常细胞在细胞对撞机中接触时，它们的膜突起相互排斥，然后完全缩回。

“当正常细胞接触时，它们倾向于改变方向以避开障碍物。这种对初始接触的反应使细胞彼此保持距离，”Brückner说。“我们惊讶地发现，肿瘤细胞的行为方式截然不同。”

当癌细胞相遇时，它们几乎总是试图越过对方。借助他们的理论模型，研究小组对这种反应进行了详细的模拟。分析显示，当两个肿瘤细胞相互靠近时，它们不会像正常细胞那样慢下来。相反，他们加快速度，试图挤过去对方。

根据细胞对撞机内正常细胞和癌细胞对的运动轨迹，推导出一个相互作用的运动方程，该方程能准确预测不同细胞系的特征性成对碰撞行为，包括反转、跟随或滑动事件。

作者发现相互作用的非癌细胞MCF10A可以用排斥和摩擦相互作用来描述，而相互作用的癌细胞MDA-MB-231可以用吸引和抗摩擦相互作用来描述，促进了在这些细胞中观察到的主要滑动行为。

“这些发现为进一步的研究提供了两种有趣的方法，”Brückner说。

在接下来的研究中，LMU团队开始确定两种细胞类型之间非常不同的相互作用的分子基础——癌细胞表达一组不同的表面蛋白。

其中，钙粘蛋白（cadherins）是一类在介导细胞粘附中起重要作用的特殊蛋白质。进一步的研究将探索钙粘蛋白是否足以解释在癌症和正常细胞相互作用动力学中观察到的差异。

此外，作者也准备研究更大的细胞聚集体（如肿瘤中发现的细胞聚集体）是否显示出类似成对细胞的运动模式。

原文检索：Learning the dynamics of cell–cell interactions in confined cell migration. proceedings of the National Academy of Sciences.

（生物通：伍松）