南开团队光刻图案化操控发现巨噬细胞在非黏附基底存在间充质迁移能力
运动迁移是细胞普遍存在的一种生命形式，在胚胎发育、血管生成、伤口愈合、免疫反应、癌症转移等多种生理病理过程中发挥重要作用。细胞迁移具有两种经典模式：依赖于黏附的间充质迁移（Mesenchymal mode）（如癌细胞、上皮细胞等）和不依赖于黏附的阿米巴迁移（Amoeboid mode）（如嗜中性粒细胞等）。前者通常发生在可黏附基底，细胞通过黏着斑等黏附结构与基底形成紧密连接，并产生驱动牵引力让细胞迁移。而阿米巴迁移主要依靠细胞皮层骨架的逆流运动与基底产生摩擦力，驱动细胞迁移。间充质迁移和阿米巴迁移在一定条件下（如物理空间限制）可发生转换（Liu et al. Cell, 2015, 160: 659），赋予细胞适应复杂环境的能力。目前一般认为细胞在非/低黏附基底上只能以阿米巴模式迁移，无法以间充质模式进行迁移。
近日，南开大学物理科学学院、泰达应用物理研究院潘雷霆教授、许京军教授团队利用光刻图案化技术构建了基于抗蛋白吸附钝化剂（聚乙二醇硅烷，PEG）的非黏附区和基于细胞外基质蛋白（Fibronectin，FN）的可黏附区组成的交替式黏附-非黏附基底，发现原代小鼠巨噬细胞（Macrophage）可以通过颠覆以往认知的间充质模式在这种交替式黏附-非黏附基底进行迁移。测试了其他二十余种细胞，包括MDCK细胞、NIH 3T3细胞等贴壁工具细胞，MDA-MB-231细胞、Hela细胞等癌细胞，以及嗜中性粒细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞等原代细胞均未发现该能力。巨噬细胞作为体内重要的先天免疫细胞，主要负责病原体吞噬、抗原呈递等，巨噬细胞这种在非均匀基底的强大迁移能力可能对于其在体内复杂环境的趋化游走（如体内由烧伤等造成的不黏附区域）并发挥免疫功能具有重要意义。相关结果以封底论文形式（Back Cover）发表在Wiley出版集团旗下知名综合期刊《Advanced Science》，题为“Mesenchymal migration on adhesive-nonadhesive alternate surfaces in macrophages”。
团队利用光刻技术操控产生交替式黏附（FN）-非黏附（PEG）基底，观察到巨噬细胞以一种间充质形态（铺展的前端与细长的尾端）跨越宽度最大为80 μm（远大于细胞尺寸）的不可黏附的PEG区域，速度约1 μm/s，且方向随机。有趣的是，巨噬细胞需要预先黏附FN区域才可以在PEG域进行迁移。只在PEG区域的细胞呈现球状，无法黏附以及迁移。扫描电镜和局域机械力刺激等实验进一步证实巨噬细胞紧密黏附于其他细胞不可黏附的PEG区域。为探究巨噬细胞强大迁移能力的内在机制，团队利用免疫荧光和STORM单分子定位超分辨成像技术，发现伪足小体（Podosome）这一富含肌动蛋白（Actin）的黏附结构特异性富集于PEG区域。活细胞动态成像显示当细胞铺展迁移到PEG区域时伪足小体会迅速产生，当前沿端接触到另一个FN区域后伪足小体会消失，且尾端与初始的FN区域脱钩。药物和siRNA干预抑制伪足小体生成进一步证明巨噬细胞的这种强大黏附迁移能力依赖于伪足小体。通过Blebbistatin和Y27632抑制肌球蛋白（Myosin IIA）活性上调伪足小体密度，可明显增强巨噬细胞的这种迁移能力。相反，通过PGE2和CalyA上调Myosin活性抑制伪足小体生成，则可以减弱巨噬细胞迁移能力。
最后，团队发展了细胞Potts理论模型（Cellular Potts model，其源于Ising模型，以统计物理学作为基本框架，将单个细胞细化为二维网格的集合，可反映细胞形状特征，进而自下而上地探究细胞迁移特性），引入基底空间异质性、细胞骨架聚合动力学和伪足小体周转动力学等参数，构建出信号正反馈回路模型，即伪足小体促进局部的细胞骨架活化，而高活性的骨架附近又易于生成伪足小体，挽救了模型细胞在PEG区域的极化能力，使模型细胞克服PEG区域的能量阻碍，成功复现了巨噬细胞在交替式黏附-非黏附基底的独特迁移行为。并进一步理论预测在更窄的FN条纹上，巨噬细胞的这种迁移能力会得到增强，实验也验证了这一预测，表明建模的合理性。综上所述，该研究更新了人们对巨噬细胞作为先天免疫细胞的强大迁移能力的认知，也拓宽了人们对于细胞迁移的理解。
南开大学物理科学学院潘雷霆教授、许京军教授团队长期致力于细胞成像与操控方面的交叉科学研究。细胞操控方面，团队发展和改进源于半导体工业的光刻图案化技术，实现对细胞微米尺度的图案化分布操控，并开展细胞间行为新方法研究，如设计并制作出同心圆有序图案，可视、直接、定量地证实了离散细胞间钙波通讯存在信号中继放大传递机制，扩大信号传递范围，提高信号传递速度和效率（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 2937）；设计制作出哑铃状图案，实现对有丝分裂末期细胞间狭长的细胞间桥长度的稳定调控，结合理论建模，揭示出细胞间桥介导的子细胞间钙波通讯存在主动和被动传输机制（Biophysical Journal, 2020, 118: 11196）；利用圆形图案等发现了Actin骨架逆流可以诱导细胞产生Actin二级环结构（Journal of Innovative Optical Health Sciences, 2023, 16: 2244005）等。
本文第一作者是博士后邢福临，通讯作者为潘雷霆教授，南开大学为第一作者单位。研究工作还得到了北京大学未来技术学院陈良怡教授和南开大学生命科学学院周军教授的指导。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、天津市自然科学基金、南开大学细胞应答交叉科学中心等资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202301337