新浪科技综合@今日《科学》：细胞也能成为走迷宫高手？新浪科技综合2020-08-28 09:28:290阅
来源：学术经纬
今日 ， 最新一期《科学》杂志发表了一项很有意思的研究：一支来自英国的团队分别让胰腺癌细胞与细菌 “走迷宫” 。 有趣的是 ， 这两类不同的细胞还真能找到出口 。 这是为啥？
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图1/8细胞花了一个多小时 ， 走出了这个迷宫在解释细胞的特殊寻路本领前 ， 我们先来了解下科学家们为啥要让细胞走迷宫 。 长久以来 ， 科学家们就想知道细胞如何进行长距离的迁徙 。 这对理解胚胎发育 ， 或是癌症的转移 ， 都有重要的意义 。 早期的研究发现 ， 细胞具有一定的趋化性 ， 也就是会依照某种化学分子的浓度梯度进行迁徙 。 这就好像人想要走出黑暗的山洞 ， 就要朝着光线逐渐变强的方向前进 。
然而 ， 简单的趋化性无法解释很多复杂的现象 。 比如有时细胞需要长途跋涉 ， 前往身体的另一端 。 难道身体的两端之间 ， 有着严格的化学分子浓度梯度吗？显然 ， 这是不现实的 。 另外 ， 细胞的迁徙道路并非是“直达” ， 路上还有很多岔道 。 它们又要怎样找到正确的道路 ， 避免误入歧途？
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图2/8细胞不但能走出迷宫 ， 还会寻找最短的路径（不同颜色代表不同的时间 ， 蓝色代表进入迷宫的早期 ， 红色代表后期）基于这些问题 ， 研究人员们对“趋化性”模型进行了优化 ， 指出细胞可以将周围吸引它们的趋化分子进行降解 ， 人为创造更强的浓度梯度出来 。 打个比方 ， 比如某种细菌会从糖分子浓度较低的地方 ， 移动到糖分子浓度较高的地方 。 但如果周围糖分子的浓度都很高 ， 没有明显的高低 ， 它就无所适从 ， 失去了前进的方向 。 但要是它一边走一边吃 ， 走过的道路上 ， 糖分子的浓度就会变低 。 这样一来 ， 它们就知道 ， 继续往前走 ， 才能吃到更多的糖 。
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图3/8两种不同情况的模拟 。 上图为简单来自环境的浓度梯度 ， 下图为降解趋化分子后自发产生的浓度梯度（不同颜色代表不同的浓度 ， 紫色为最高 ， 白色为最低）
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图4/8实际观察到的细胞运动情况研究人员们表示 ， 这种通过降解趋化分子来自寻道路的做法 ， 比起简单依靠大环境的浓度梯度 ， 可以让细胞前进得更为主动 ， 也让长途跋涉有了理论上的依据——细胞不需要全身性的化学分子浓度梯度 。 它只要“逢山开路 ， 遇水搭桥” ， 随时产生驱动其前行的浓度差即可 。
而且 ， 这个模型还能解释细胞如何选择正确的道路 ， 这正是最初科学家们让细胞走迷宫的原因 。 理论上说 ， 如果在细胞面前有两条同样的开放式道路 ， 它们会自我达成平衡 ， 做到兵分两路——前往其中一条路的细胞多了 ， 这条道路中的趋化分子总体水平就会降低 。 这样一来 ， 细胞就会被另一条道路里的趋化分子所吸引 ， 达成微妙的动态平衡 。
而如果前方有一条是死胡同 ， 里头的趋化分子会很快被先头部队所降解光 。 这样一来 ， 后续的细胞就知道此路不通 ， 纷纷转向正确的道路 。
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图5/8通过感知趋化分子的浓度变化 ， 细胞可以自行规避死胡同
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图6/8死胡同越短 ， 细胞能越快做出判断
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图7/8死胡同越长 ， 细胞也越容易迷路……更神奇的是 ， 由于趋化分子本身会向四周扩散 ， 这些细胞在道路的分支处 ， 就可以提前对其进行降解 ， 并由此判断出哪一条是死路 。 研究人员们也指出：趋化分子的扩散速度越快、细胞本身移动的速度越慢、或是死路越短 ， 细胞做出正确判断的几率也越高 。
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图8/8要掌握了诀窍 ， 再复杂的迷宫也没问题【新浪科技综合@今日《科学》：细胞也能成为走迷宫高手？新浪科技综合2020-08-28 09:28:290阅】综合来看 ， 研究人员们指出由细胞自行产生的趋化分子浓度梯度 ， 能让细胞高效在复杂的道路中穿梭 。 如果能理解细胞如何与其他细胞、趋化分子、以及所处的环境进行互作 ， 就能更好地理解细胞在体内的迁徙 。 这能帮助我们搞明白很多生理发育过程 ， 以及像癌症转移这样的病理过程 。
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