南开团队光刻图案化操控揭示群体细胞径向有序迁移现象
近年来，由大量自驱动单元组成的活性物质系统，如鸟群、鱼群、分子马达、功能化胶体粒子和微型机器人集群等，因表现出复杂有序的群体行为而备受关注。群体细胞是一类重要的活性物质系统，其有序迁移行为在胚胎发育、组织形态发生和癌症侵袭等生命过程中扮演着重要角色。正常生理条件下，群体细胞往往处于受限的空间环境中，可以“自上而下”地调控群体细胞行为的时空动态演化，影响细胞组织分化命运。如今，以光刻图案化为代表的新兴技术方法开始运用于细胞体外精准空间操控。利用这种自上而下的操控策略，在超细胞尺度上可涌现出多样化的群体细胞迁移行为。
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，将NIH3T3成纤维细胞种植于圆形基底内，发现群体细胞呈现出径向有序的向心迁移，显著区别于广泛报道的MDCK上皮细胞切向有序的旋转运动，并指出该径向有序迁移是由自上而下的空间约束调控和自下而上的细胞-细胞外基质（ECM）作用共同导致，为探索空间约束条件下活性物质系统的有序行为开辟了新的研究视角，相关结果以“空间限制下群体细胞的径向有序迁移”（Collective cell radial ordered migration in spatial confinement）为题发表在Wiley出版集团旗下综合期刊《先进科学》（Advanced Science）。
群体NIH3T3成纤维细胞径向有序迁移行为依赖于持续的空间限制，若空间限制消失，向心迁移则不会发生，而是呈现为向外的扩散运动。团队发展多种数据分析方法，追踪了单个细胞运动轨迹，并基于细胞运动均方位移和方向指数解析了单个细胞的运动特征，发现细胞是以弱定向、扩散样的运动方式聚集到图案中心。进一步开发了平均径向速度热图和径向序参数时空图谱等分析工具，揭示出群体NIH3T3细胞迁移动力学在超细胞尺度上呈现径向有序性和时空异质性特征，既向心迁移的趋势首先出现在限制边界，随后该趋势向图案中心传播，表现为径向有序波前。该波前速度显著大于细胞实际径向运动速度，表明该波前是一种超细胞水平的远程信号传递方式，引导细胞向内运动，最终形成全局的向心迁移模式。随后，团队利用免疫荧光染色技术和改变培养条件探究了NIH3T3细胞向心迁移自下而上的细胞生化机制，发现细胞-ECM的相互作用是这一过程的关键内在因素。团队开发了基于ECM力的连续体模型，很好地复现了实验观察到的有序向心迁移、径向有序波前等结果，并进一步指出向心速度场的形成仅依赖于限制本身，而与图案的几何特征无关。图案化实验也证实了此理论预测。综上所述，该研究拓展了人们对受限环境中群体细胞有序迁移行为模式的认识，也为人体组织器官体外再造及类器官设计提供新思路。
本文第一作者是博士研究生董浩，通讯作者为潘雷霆教授，南开大学为第一作者单位。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究重大项目、南开大学中央高校基本科研业务费、高等学校学科创新引智计划等资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307487