细胞迁移记忆效应的研究
【摘 要】细胞迁移现象在许多生理与病理过程中起着重要的调节作用，但人们对其动态过程和分子机制的研究尚远未完善。最近，随着微流控芯片等单细胞研究技术的发展，细胞迁移中的记忆效应研究取得了新的突破，并引发了重要关注。本文将对常用的细胞迁移实验技术和细胞迁移记忆效应研究方面的主要进展作出介绍，并阐述目前研究方法的不足。
【关键词】细胞迁移；迁移记忆；微流控芯片
【中图分类号】R392 【文献标识码】B 【文章编号】2095-6851(2018)08--01
细胞迁移也称细胞爬行，是指细胞接收到外部力学等物理信号或可溶性化学物质(“趋化因子”)的浓度梯度刺激后作定向运动的行为。细胞迁移不仅是正常生长发育的基本功能之一，在胚胎发育、伤口愈合、免疫发现和肿瘤细胞转移等生理过程中也起着重要的作用。近年来，随着研究的深入，人们发现细胞迁移不仅受控于当前的外部刺激信号，还与细胞接受刺激前的内部记忆信息有关。鉴于在相关疾病诊断和治疗中的巨大相关性，细胞迁移过程及其详细分子机制的研究一直是人们研究的重要内容。本文将从传统细胞迁移实验技术入手，对当前细胞迁移记忆效应的研究方法和相关的主要前沿进展作出介绍，以期为相关读者提供有价值的参考。
1 细胞迁移实验技术
1675年，显微技术的先驱人物安东尼·凡·列文虎克往英国皇家学会寄出的一封信里描述了细胞的运动，揭开了人们对细胞迁移研究的崭新一页，在此后的300多年时间里，科学家们发明了各种技术来研究其过程机理。(1)基于体内的方法：通常采用斑马鱼和小鼠的动物模型，研究肿瘤等细胞在生物体内的侵染迁移过程、机制及控制方法。近来，也有文献报道了在鸡胚中研究神经嵴细胞迁移的模型。神经嵴细胞从神经管脱离时，经历了上皮细胞-间充质细胞转换的过程，此过程与癌细胞从原发瘤逃逸进入循环系统的过程类似。因此，此模型可为研究癌细胞的转移机制提供大量有参考价值的信息。基于体内的方法较为直观、准确，但成本较高，且受限于目前的体内成像技术，难以观察到详细的动态过程。(2)基于体外的方法：包括基于群体细胞的方法和基于单细胞水平的方法。基于群体细胞的方法主要包括细胞划痕法、Boyden小室法和Transwell小室法等。细胞划痕法借鉴体外细胞致伤愈合实验模型，在体外培养的单层细胞上划痕致伤，然后在加入药物等实验条件下观察单层细胞向划痕部位运动的迁移过程与机制。Boyden小室法根据靶细胞(单核巨噬细胞、中性粒细胞或淋巴细胞等)能够主动迁移，穿過一定孔径的滤膜设计而成。聚碳酸酯膜的滤膜将小室分割成上下两部分，下面的趋化因子通过滤膜形成浓度梯度，上面的细胞则沿着梯度穿过膜孔，黏附在膜的下面，通过计数膜下表面的细胞数可分析细胞的迁移能力。Transwell小室法采用人工重构基底膜材料Matrigel覆盖大小为3-12um左右的滤膜孔径，使得细胞必须通过分泌水解酶并且产生变形运动才能穿过，以此实验来模拟细胞的侵染过程。此类基于群体细胞的方法操作简单、重复性好，但它们往往只能获取宏观的统计平均结果，此“平均主义”往往会掩盖细胞个体之间的多样性和异质性，难以深入研究细胞的微观动态活动。基于单细胞水平的研究方法可控制单个细胞的迁移过程并进行实时有效的观察，为研究细胞迁移的动态过程和记忆效应提供了可行的思路。
2 细胞迁移记忆效应研究方法
微流控芯片法通过设计和制备具有微流路控制功能的分析芯片产生精确可控的流体和较为稳定的趋化因子浓度梯度，并能在多参数条件完成一系列试验，同时对单个细胞的迁移过程进行实时的观察分析，成了目前较为常用的细胞迁移记忆效应实验手段。但是，为确保内部流体的平稳，微流控芯片流体特征调整的时间常数往往较大，因此，难以用于研究一些暂态和动态的细胞迁移过程。
3 细胞迁移记忆效应的研究进展
Nakajima等人采用PDMS微流控芯片发现了盘基网柄菌细胞迁移过程的“后波”记忆问题，发现细胞方向感知和小G蛋白(Ras)的激活状态不仅与环磷酸腺苷(cAMP)的浓度相关，还依赖于cAMP刺激细胞的历史时间和浓度梯度的变化方式[1]。Takeda 等人研究了盘基网柄菌细胞经不同时间和浓度的cAMP预处理后，再次接受刺激时内部Ras的不同激活状态和调整问题，发现了不依赖于微丝(F-actin)的Ras记忆，实验结果较好地符合了非相干前馈网络模型[2]。Skoge则发现当cAMP以类似于正弦半波周期性地作用在细胞上时，如果波形周期在6-10分钟以内，细胞会表现出“忽略”后半个波形一直朝前半波作用方向运动的迁移特点，显示了细胞迁移的记忆特性，而当波形周期在16分钟以上时，细胞会在后半波作用下“退出记忆”并作逆向迁移，根据实验结果，提出了自适应方向调整和双稳态细胞记忆的耦合模型[3]。此类研究是细胞迁移记忆效应方面的突破性进展，加深了人们对细胞迁移过程机制的认识，但由于实验方法不足等原因，人们对Ras激活、逆向迁移等环节出现记忆效应的具体动态过程和分子机理还知之甚少。
4 结语
细胞迁移过程中的记忆问题日益引起人们的重视。通过微流控芯片法，科学家已经在单细胞水平上观察到一些令人鼓舞的新现象，但是由于细胞迁移是一个动态发展变化的过程，各响应特征持续时间较短，目前的微流控技术尚难以完全满足研究要求，需要人们研究新的实验方法，以期对此与人类多个病理生理过程密切相关的细胞功能作进一步的探索。
参考文献
Nakajima A， Ishihara S， Imoto D and Sawai S.Rectified directional sensing in long-range cell migration.Nature Communications，2014，5：5367.
Takeda K， Shao D， Adler M， Charest P G， Loomis W F， Levine H， Groisman A， Rappel W-J and Firtel R A.Incoherent feedforward control governs adaptation of activated Ras in a eukaryotic chemotaxis pathway.Science Signaling，2012，5(205)： ra2.
Skoge M， Yue H， Erickstad M， Bae A， Levine H， Groisman A， Loomis W F and Rappel W-J.Cellular memory in eukaryotic chemotaxis.PNAS，2014，111(40)：14448-14453. (董晓斌 胡松钰)
【关键词】细胞迁移；迁移记忆；微流控芯片
【中图分类号】R392 【文献标识码】B 【文章编号】2095-6851(2018)08--01
细胞迁移也称细胞爬行，是指细胞接收到外部力学等物理信号或可溶性化学物质(“趋化因子”)的浓度梯度刺激后作定向运动的行为。细胞迁移不仅是正常生长发育的基本功能之一，在胚胎发育、伤口愈合、免疫发现和肿瘤细胞转移等生理过程中也起着重要的作用。近年来，随着研究的深入，人们发现细胞迁移不仅受控于当前的外部刺激信号，还与细胞接受刺激前的内部记忆信息有关。鉴于在相关疾病诊断和治疗中的巨大相关性，细胞迁移过程及其详细分子机制的研究一直是人们研究的重要内容。本文将从传统细胞迁移实验技术入手，对当前细胞迁移记忆效应的研究方法和相关的主要前沿进展作出介绍，以期为相关读者提供有价值的参考。
1 细胞迁移实验技术
1675年，显微技术的先驱人物安东尼·凡·列文虎克往英国皇家学会寄出的一封信里描述了细胞的运动，揭开了人们对细胞迁移研究的崭新一页，在此后的300多年时间里，科学家们发明了各种技术来研究其过程机理。(1)基于体内的方法：通常采用斑马鱼和小鼠的动物模型，研究肿瘤等细胞在生物体内的侵染迁移过程、机制及控制方法。近来，也有文献报道了在鸡胚中研究神经嵴细胞迁移的模型。神经嵴细胞从神经管脱离时，经历了上皮细胞-间充质细胞转换的过程，此过程与癌细胞从原发瘤逃逸进入循环系统的过程类似。因此，此模型可为研究癌细胞的转移机制提供大量有参考价值的信息。基于体内的方法较为直观、准确，但成本较高，且受限于目前的体内成像技术，难以观察到详细的动态过程。(2)基于体外的方法：包括基于群体细胞的方法和基于单细胞水平的方法。基于群体细胞的方法主要包括细胞划痕法、Boyden小室法和Transwell小室法等。细胞划痕法借鉴体外细胞致伤愈合实验模型，在体外培养的单层细胞上划痕致伤，然后在加入药物等实验条件下观察单层细胞向划痕部位运动的迁移过程与机制。Boyden小室法根据靶细胞(单核巨噬细胞、中性粒细胞或淋巴细胞等)能够主动迁移，穿過一定孔径的滤膜设计而成。聚碳酸酯膜的滤膜将小室分割成上下两部分，下面的趋化因子通过滤膜形成浓度梯度，上面的细胞则沿着梯度穿过膜孔，黏附在膜的下面，通过计数膜下表面的细胞数可分析细胞的迁移能力。Transwell小室法采用人工重构基底膜材料Matrigel覆盖大小为3-12um左右的滤膜孔径，使得细胞必须通过分泌水解酶并且产生变形运动才能穿过，以此实验来模拟细胞的侵染过程。此类基于群体细胞的方法操作简单、重复性好，但它们往往只能获取宏观的统计平均结果，此“平均主义”往往会掩盖细胞个体之间的多样性和异质性，难以深入研究细胞的微观动态活动。基于单细胞水平的研究方法可控制单个细胞的迁移过程并进行实时有效的观察，为研究细胞迁移的动态过程和记忆效应提供了可行的思路。
2 细胞迁移记忆效应研究方法
微流控芯片法通过设计和制备具有微流路控制功能的分析芯片产生精确可控的流体和较为稳定的趋化因子浓度梯度，并能在多参数条件完成一系列试验，同时对单个细胞的迁移过程进行实时的观察分析，成了目前较为常用的细胞迁移记忆效应实验手段。但是，为确保内部流体的平稳，微流控芯片流体特征调整的时间常数往往较大，因此，难以用于研究一些暂态和动态的细胞迁移过程。
3 细胞迁移记忆效应的研究进展
Nakajima等人采用PDMS微流控芯片发现了盘基网柄菌细胞迁移过程的“后波”记忆问题，发现细胞方向感知和小G蛋白(Ras)的激活状态不仅与环磷酸腺苷(cAMP)的浓度相关，还依赖于cAMP刺激细胞的历史时间和浓度梯度的变化方式[1]。Takeda 等人研究了盘基网柄菌细胞经不同时间和浓度的cAMP预处理后，再次接受刺激时内部Ras的不同激活状态和调整问题，发现了不依赖于微丝(F-actin)的Ras记忆，实验结果较好地符合了非相干前馈网络模型[2]。Skoge则发现当cAMP以类似于正弦半波周期性地作用在细胞上时，如果波形周期在6-10分钟以内，细胞会表现出“忽略”后半个波形一直朝前半波作用方向运动的迁移特点，显示了细胞迁移的记忆特性，而当波形周期在16分钟以上时，细胞会在后半波作用下“退出记忆”并作逆向迁移，根据实验结果，提出了自适应方向调整和双稳态细胞记忆的耦合模型[3]。此类研究是细胞迁移记忆效应方面的突破性进展，加深了人们对细胞迁移过程机制的认识，但由于实验方法不足等原因，人们对Ras激活、逆向迁移等环节出现记忆效应的具体动态过程和分子机理还知之甚少。
4 结语
细胞迁移过程中的记忆问题日益引起人们的重视。通过微流控芯片法，科学家已经在单细胞水平上观察到一些令人鼓舞的新现象，但是由于细胞迁移是一个动态发展变化的过程，各响应特征持续时间较短，目前的微流控技术尚难以完全满足研究要求，需要人们研究新的实验方法，以期对此与人类多个病理生理过程密切相关的细胞功能作进一步的探索。
参考文献
Nakajima A， Ishihara S， Imoto D and Sawai S.Rectified directional sensing in long-range cell migration.Nature Communications，2014，5：5367.
Takeda K， Shao D， Adler M， Charest P G， Loomis W F， Levine H， Groisman A， Rappel W-J and Firtel R A.Incoherent feedforward control governs adaptation of activated Ras in a eukaryotic chemotaxis pathway.Science Signaling，2012，5(205)： ra2.
Skoge M， Yue H， Erickstad M， Bae A， Levine H， Groisman A， Loomis W F and Rappel W-J.Cellular memory in eukaryotic chemotaxis.PNAS，2014，111(40)：14448-14453. (董晓斌 胡松钰)