數(shù)十年來，研究人員都是利用培養(yǎng)皿來研究細胞運動。然而這些經(jīng)典的組織培養(yǎng)工具只能允許二維運動，這與細胞在人類中所做的三維運動有著很大的不同。

在來自賓夕法尼亞大學與國立牙科和顱面研究所的一項新研究中，科學家們采用一種創(chuàng)新的技術(shù)研究了細胞在與皮膚組織結(jié)構(gòu)相似的三維基質(zhì)中是如何運動的。他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的細胞運動，就像發(fā)動機中的活塞，細胞核生成壓力將細胞質(zhì)膜向前推，幫助推動了細胞在基質(zhì)中前進。

賓夕法尼亞大學牙醫(yī)學院口腔正畸學系教授Hyun (Michel) Koo說：“我們的研究工作闡明了一個非常有趣的問題：當細胞處在生理相關(guān)的復(fù)雜3D胞外基質(zhì)環(huán)境中時會如何移動？我們發(fā)現(xiàn)，細胞核可以發(fā)揮活塞作用，分隔細胞質(zhì)，提高靜水壓力驅(qū)動細胞在3D基質(zhì)內(nèi)運動。”

Koo與主要作者Ryan Petrie，及資深作者Kenneth Yamada一起，將這項研究發(fā)表在8月29日的《科學》（Science）雜志上。

Petrie說：“我們認為這是一個以往未知的、非常重要的細胞運動正常生理學機制。”

研究人員針對結(jié)締組織中最常見的細胞類型——成纖維細胞展開了研究。成纖維細胞自身會生成包括膠原蛋白（collagen）和纖連蛋白（fibronectin）在內(nèi)的一些蛋白質(zhì)，構(gòu)成皮膚、腸道和機體其他組織中復(fù)雜的基質(zhì)。研究人員利用由成纖維細胞生成的基質(zhì)測試了細胞是如何遷移通過三維結(jié)構(gòu)的。

在二維表面上研究成纖維細胞表明，最典型的運動形式與板狀偽足（lamellipodia）相關(guān)，它是由于肌動蛋白聚合成纖維，將細胞膜推向前所產(chǎn)生。而在2012年，Petrie和Yamada證實當將成纖維細胞放置到三維基質(zhì)中，它們遷移時可以切換至一種不同的移動策略：利用葉狀偽足（lobopodia）。

研究人員并不知道這些葉狀偽足是如何形成的。他們懷疑有可能是由于細胞內(nèi)增高的壓力所產(chǎn)生。研究人員利用先進的微電極測量了細胞內(nèi)液體的靜水壓力，發(fā)現(xiàn)相比于在二維表面或是沒有交聯(lián)的三維基質(zhì)中的細胞，在三維胞外基質(zhì)中運動的細胞壓力顯著增高。

為了深入探究在三維基質(zhì)中運動的細胞內(nèi)部的壓力分布，他們檢測了來自細胞核前后的壓力。利用葉狀偽足的細胞其細胞核前方的壓力增高，產(chǎn)生的能量推動了細胞前進。利用活細胞共聚焦顯微鏡，他們觀察發(fā)現(xiàn)細胞核被拉向前，遠離細胞的后部，細胞核將細胞分成了高壓和低壓區(qū)室。

Petrie 說：“當細胞在基質(zhì)中時，細胞核往往在細胞的后部，細胞體的形狀呈管狀。它真的看起來像一個活塞”

他們發(fā)現(xiàn)實際上是肌動蛋白絲將細胞核與細胞前部連接，拉動細胞核向前。這種移動給細胞“施加了壓力”。科學家們還識別了導(dǎo)致這一細胞核活塞運動的一些蛋白質(zhì)組件，包括肌動球蛋白（actomyosin）、波形蛋白（vimentin）和nesprin蛋白。

Petrie說：“是壓力推動了質(zhì)膜。”

由于這只發(fā)生于在細胞生成的三維基質(zhì)中運動的細胞身上，在其他基質(zhì)中運動的細胞則無此現(xiàn)象，研究人員指出細胞一定是感知它們的物理環(huán)境確定了采用哪種運動。

研究人員指出，這種細胞運動有可能也在機體其他組織中常見。當他們?nèi)〉脕碜韵ボ浌堑能浌羌毎蛠碜阅c組織的成肌纖維細胞，將它們放置在基質(zhì)中時，這些細胞利用了相同類型的葉狀偽足驅(qū)動的運動方式。

這一研究發(fā)現(xiàn)還有可能對于理解如癌癥等疾病具有重要的意義，因為癌細胞往往以不同于正常細胞的方式運動。