细胞运动性与迁移导论

细胞运动性在许多生理和病理过程中是必需的，包括胚胎发育期间的细胞迁移、白细胞对感染的响应性移动，以及癌细胞的转移过程。两种细胞蛋白质——肌动蛋白（actin）和肌球蛋白（myosin）——构成了运动装置的主要结构基础。

在本介绍性视频中，我们将回顾细胞运动性和迁移领域中的一些里程碑式发现。接着，我们将重点介绍关于细胞运动性尚未解决的若干问题，随后讨论用于研究细胞运动的经典与先进工具。最后，我们将以一些示例实验作为总结。

让我们首先回顾一下该领域相关的重要发现。

在第17^th 17世纪，安东尼·范·列文虎克借助显微镜，首次观察到精子和细菌的运动。几个世纪后，特奥多尔·威廉·恩格尔曼和威廉·费弗尔发现了由刺激驱动的细菌运动，包括：趋光性（受光影响的运动）、趋化性（朝向不同化学物质的运动）以及趋氧性（对氧气的响应性运动）。大约在同一时期，伊利亚·梅契尼科夫进行了一项引人入胜的实验：他用玫瑰刺刺穿透明的海星幼虫，并观察到细胞从身体其他部位移向伤口。这一发现催生了白细胞会迁移至损伤部位的概念，从而开创了免疫学领域。

对细胞运动机制的理解始于几年前对一种看似无关的现象——肌肉收缩的研究。1859年，Wilhelm Kühne分离出一种他认为导致肌肉僵硬的蛋白质，并将其命名为肌球蛋白（myosin）。

1942年，Brunó Ferenc Straub 发现“肌球蛋白”制剂实际上含有另一种蛋白质——肌动蛋白。如今我们已知，肌动蛋白与肌球蛋白相互作用形成肌动球蛋白复合物，从而产生收缩。1974年，Margaret Clarke 在 James Spudich 实验室工作期间，描述了黏菌中的肌动球蛋白样结构 盘基网柄菌并提示其参与非肌细胞的运动。

1983年，斯普迪奇与迈克尔·希茨共同开发出一种 体外 肌动球蛋白模型，为现今理解其机制奠定了基础。我们现在知道，ATP 是细胞中的一种“高能”分子，可结合肌球蛋白并为其提供能量，驱动肌球蛋白沿平行的肌动蛋白分子“爬行”，从而产生收缩力，在非肌细胞中这种收缩力可在细胞迁移过程中拉动细胞向前移动。

在简要回顾历史之后，让我们讨论一下当今科学家正在探究的有关细胞运动性的几个问题。

研究人员希望了解环境信号如何引导细胞移动。细胞会响应多种信号而发生运动，这些信号包括驱动胚胎发育的信号，或向免疫细胞发出感染部位警报的信号。这些信号通常是某些细胞释放的化学物质，用以诱导特定类型的细胞向其迁移。因此，研究这种趋化性诱导的机制，有助于科学家更深入地理解细胞迁移发生障碍的相关疾病。

另一个重要的研究领域涉及细胞运动所依赖的分子机制。除了使形态可变的细胞能够伸出突起并在表面“爬行”的肌动球蛋白系统外，研究人员还致力于阐明其他细胞骨架成分如何驱动细胞运动，例如构成精子尾部“主干”的微管，以及形成细菌鞭毛的复杂分子机器。

最后，一些科学家还探索细胞之间如何相互作用，并以群体形式共同迁移，这一现象存在于早期胚胎发生过程以及伤口愈合过程中。

此外，由于体内细胞实际上存在于一种被称为细胞外基质（extracellular matrix，简称ECM）的分子网络中，研究细胞如何与ECM相互作用并侵入其中，有助于理解癌症转移等现象。

现在我们已经了解了该领域正在研究的问题，接下来学习一些常用的重要技术。

划痕实验用于模拟上皮细胞如何重新填充一个空置区域——这一过程类似于伤口愈合。在此实验中，通过移液器枪头在细胞培养皿中划出一道“伤口”。随着时间推移，细胞逐渐迁移回该区域，可利用细胞追踪软件记录其运动轨迹，以评估细胞的移动速度和位移距离。

Transwell迁移实验是研究趋化性（即化学物质吸引细胞定向移动）的另一种经典方法。在该实验中，先将趋化因子溶液加入孔板中，然后将Transwell小室放入这些孔中，最后在膜的上层接种具有迁移能力的细胞。通过显微镜和血细胞计数板可计数迁移至趋化因子一侧的细胞数量。

工程技术的进步使得微流控装置得以构建，这类装置由在合适基底上微加工刻蚀出的微通道组成。在细胞迁移实验中，通道通常设有两个端口：一个用于加入细胞悬液，另一个用于加入化学刺激物。随后可在显微镜下观察刺激物对细胞迁移行为的影响。

为了研究细胞向细胞外基质（ECM）的侵袭过程，研究人员可进行三维侵袭实验。该方法中，科学家将细胞培养在由胶原蛋白等成分构成的三维基质中，再借助先进的软件实现对细胞三维侵袭过程的动态追踪。该方法在肿瘤发育研究中尤为有用。

最后，活体时间序列荧光显微镜可用于在活体（in vivo）条件下追踪活细胞。可将编码荧光蛋白的基因导入动物模型中，随后利用双光子显微镜等先进的成像技术，追踪表达荧光蛋白的细胞的迁移路径。

现在，让我们探讨这些细胞运动性和迁移检测方法的一些当前应用。

如前所述，细胞迁移在肿瘤转移中起着关键作用。在此实验中，科研人员在transwell小室中将包埋于基质中的肿瘤细胞与脑组织切片共同培养。孵育后，对样品进行染色，并通过免疫荧光分析。结果显示，肿瘤细胞侵入了脑组织切片。

感染发生后，细胞会释放趋化因子，这类趋化性蛋白可诱导中性粒细胞的迁移。中性粒细胞是一类吞噬细胞，是先天免疫系统的重要组成部分。在此研究中，科研人员采用transwell迁移实验评估了这一现象。他们将感染细菌的上皮细胞接种于膜的下侧，而中性粒细胞则培养在膜的上侧。结果表明，在存在感染细胞的情况下，中性粒细胞出现了显著的迁移。

最后，微流控小室实验可用于研究细菌的趋化性。在此实验中，科研人员利用一种特制的微流控小室，同时测试多种浓度，评估了两种物质——L-天冬氨酸和硫酸镍——的吸引与排斥特性。所得数据表明，随着吸引剂和排斥剂浓度的增加，细菌分别趋向或远离测试分子的迁移行为也相应增强。

您刚刚观看了 JoVE 关于细胞运动性与迁移的简介视频。在本视频中，我们回顾了细胞运动性与迁移研究领域的主要里程碑。接着，我们探讨了当前该领域关注的一些科学问题，以及目前实验室中常用的研究工具。最后，通过一些示例实验展示了这些技术的实际应用。感谢您的观看！