弗吉尼亚理工大学和魏茨曼科学研究所解决纤维上的细胞迁移问题

在任何战斗中，了解敌人对于进行防御至关重要。阻止癌症或加速伤口愈合的斗争也不例外。弗吉尼亚理工大学和以色列魏茨曼研究所的研究小组以及世界各地的合作伙伴正在寻求更深入地了解细胞如何在整个生命体中移动和扩散。

弗吉尼亚理工大学的Amrinder Nain教授建造了纳米级吊桥来研究细胞迁移。魏茨曼研究所的Nir Gov教授开发了细胞如何在曲面上迁移的理论和计算框架。他们的合作研究结合了最先进的实验和理论来检查纤维上的细胞“卷曲”，已发表在Nature Communications上。

这项研究遵循之前与Gov和Nain合作探索癌症内在机制的研究。在这项工作中，Nain和他来自弗吉尼亚理工大学，日本和以色列的合作伙伴研究了细胞的生物学如何影响脑癌细胞的运动。这项工作产生了一些新颖的发现，但仅靠化学和生物学并不能提供完整的画面。需要更全面地了解细胞行为，以了解如何阻止癌症的发展，研究小组从研究细胞内部转向外部，观察它如何与环境相互作用。

扩大团队进行新研究

Nain和弗吉尼亚理工大学的同事Bahareh Behkam此前发现了一种称为卷绕的细胞行为， 其中细胞将自身包裹在纤维轴上进行迁移。他们发现，卷曲在癌性侵袭性细胞中比非致瘤细胞更明显。知道了这一点，他们开始了解控制这种卷曲行为的潜在能量原理。

再次需要Gov的专业知识，该团队与来自以色列的团队开展了一项新的合作研究，旨在发现细胞如何使用其突起或从细胞柔软体前部向外延伸的手臂状结构移动。

Nain和他的合作者知道，这些手臂不仅可以让细胞移动，还可以抓住它的环境并推动自己向前移动。诀窍是以足够的分辨率在3D中观察它们。弗吉尼亚理工大学团队成员Christian Hernandez-Padilla设计了光纤网络和成像策略来捕获卷绕事件。Nain随后联系了美国国立卫生研究院（NIH）的Hari Shroff和Harshad Vishwasrao，询问使用他们的晶格光片高级显微镜的问题。

“我们挑战自己，以确定是否可以在3D中清楚地观察到卷绕以进行详细测量，”Nain说。“只需要给NIH的Hari发一封冷电子邮件，他非常乐于接受。当克里斯蒂安的成像数据逐渐涌入时，我们欣喜若狂，显示细胞在3D纤维上盘绕。

除了NIH，该团队还联系了：

• 约翰霍普金斯大学的Konstantinos Konstantopoulos教授生成研究中用于研究的特定细胞系
• 斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的Aleš Iglič教授，用于计算建模
• 魏茨曼科学研究所的Elior Peles教授演示体内卷曲

了解细胞迁移需要了解细胞如何围绕纤维绳（它们最终移动的悬桥）弯曲。Nain的专长包括建造纤维状的纳米级蜂窝悬浮道路。与培养皿的平面景观相比，这些纤维更接近活组织的景观。通过与其他专家合作，该团队为说明细胞如何在体内移动奠定了基础，这可能导致阻止癌细胞或加速伤口愈合的新策略。

扭曲的抓地力：来自布莱克斯堡的作品

为了推动自身，细胞的果冻状身体首先产生触手状突起。这些细胞臂可以通过扭曲周围组织中的纤维来抓住东西。但这种行为以前很少被研究过。

“最近在体内的成像研究表明，癌细胞沿着单个纤维移动，并通过伸手抓住纤维来导航不同的纤维结构，”Nain说。“我们将实验与Nir的计算模型相结合，以了解卷绕的能量学。这以前从未尝试过，它挑战了我们的团队。

该小组研究了各种直径的悬浮纤维上的卷绕，包括Behkam实验室首创的扁平带。研究人员发现，当细胞落在纤维上时，它的触手在纤维周围缠绕了几次，使细胞牢牢抓住。Hernandez-Padilla在NIH进行了成像，并开发了从记录的大量数据中量化3D卷绕事件的框架。

卷绕：来自以色列的工作

在以色列，博士后研究员Rajkumar Sadhu创建了一个理论模型，描述了当外力作用在其膜上时，细胞如何获得其形状和移动。政府团队发现，能源最小化是一个主要驱动因素。想象一个膜试图保持尽可能平坦，避免需要更多能量才能导航的尖角。

复杂的形状，如卷曲，是由蛋白质复合物引起的，它们本身是弯曲的，当膜遵循它们的形状时弯曲。弯曲的蛋白质也与细胞骨架连接，细胞骨架是赋予细胞形状的结构成分。细胞骨架在细胞运动过程中生长并向外推，驱动突起。

这些力来自能量守恒和细胞骨架动力学，是线圈的原因。该模型正确地预测了当光纤有尖角时卷绕将停止，就像扁平带的情况一样。

协作工作是生物学的关键

虽然运动和细胞生物学之间的这种能量平衡以非常小的方式发生，但它对未来有着巨大的影响。了解细胞在其环境中的行为为了解发育、疾病和修复生物学过程中的细胞迁移打开了大门。

除了该项目的科学进步外，Gov还评论了这项工作对协作企业的价值。

“这项合作已经产生了几份出版物，并通过来自不同国家、大陆、种族和国家背景的人们之间的合作，展示了当今如何进行科学研究，”他说。“除了对科学的好奇心和热爱之外，将我们团结在一起的是自由、人权以及所有人之间相互尊重和团结的自由理想。