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細胞遷移，或細胞在體內的移動方式，對於正常的身體功能和疾病進展都至關重要。 細胞運動使身體部位在早期發育過程中能夠在正確的位置生長、傷口癒合和腫瘤轉移。
在上個世紀，研究人員對細胞遷移的理解僅限於生化訊號或趨化性的影響，這些訊號引導細胞從一個地方移動到另一個地方。 例如，一種稱為嗜中性球的免疫細胞會遷移到體內IL-8蛋白質濃度較高的區域，這種蛋白質在感染期間會增加。
然而，在過去的兩、三十年裡，科學家開始認識到在細胞遷移中發揮作用的機械或物理因素的重要性。 例如，人類乳腺上皮細胞（乳房乳管內壁的細胞）當放置在具有硬度梯度的表面上時，會向硬度增加的區域遷移。
現在，研究人員不再只關注細胞「固體」環境的影響，而是轉向「流體」環境。 身為一名接受應用數學訓練的理論家，我使用數學模型來理解細胞生物學背後的物理學。 我和我的同事 Sean X. Sun、Konstantinos Konstantopoulos 都是透過理論模型和實驗室實驗發現水和液壓如何影響細胞遷移的先驅科學家。 在我們最近發表的研究中，我們發現人類乳癌細胞的遷移透過其周圍液體的流動和黏度而增強，從而闡明了影響腫瘤轉移的因素之一。
液體如何影響細胞遷移
人體細胞不斷暴露於不同物理特性的液體中。 水是一種可以引導細胞遷移的液體。 例如，我們發現水流過乳癌細胞膜的方式會影響它們的移動和轉移方式。 這是因為進出細胞的水量會導致細胞收縮或膨脹，進而透過移位細胞的不同部位來誘導運動。
體液的黏度或稠度因器官、健康狀況和疾病而異，這也會影響細胞遷移。 例如，腫瘤中癌細胞之間的液體比健康組織中正常細胞之間的液體更黏稠。 當我們比較乳癌細胞在充滿正常黏度液體和高黏度液體的有限通道中移動的速度時，我們發現高黏度通道中的細胞與直覺相反地加速了 40%。 這項發現是出乎意料的，因為物理基本定律告訴我們，惰性粒子在高黏度流體中會因阻力增加而減慢速度。
我們想找出這個令人驚訝的結果背後的機制。 因此，我們確定了參與這一過程的分子，發現了一系列允許高黏度環境增強細胞運動性的事件。
我們發現高黏度液體首先促進稱為肌動蛋白的蛋白絲的生長，該蛋白絲打開細胞膜中的通道並增加水的攝取量。 細胞從水中膨脹，活化另一個吸收鈣離子的通道。 這些鈣離子會活化另一種稱為肌球蛋白的蛋白絲，誘導細胞移動。 這一系列事件誘導細胞改變其結構並產生更多的力來克服高黏度流體施加的阻力，這意味著細胞根本不是惰性的。
我們還發現，細胞在暴露於高黏度介質後保留了「記憶」。 這意味著，如果我們將細胞放入高黏度介質中幾天，然後將它們放回正常黏度介質中，它們仍然會以更快的速度移動。 細胞如何保留這種記憶仍然是一個懸而未決的問題。
然後我們想知道我們關於黏性記憶的發現是否適用於動物，而不僅僅適用於培養皿。 因此，我們將人類乳癌細胞暴露在高黏度介質中六天，然後將它們置於正常黏度介質中。 然後我們將這些細胞注射到雞胚胎和老鼠體內。
我們的結果是一致的：與未預先暴露於高黏度介質的細胞相比，預先暴露於高黏度介質的細胞滲漏到周圍組織和轉移的能力增強。 這一結果表明，細胞周圍環境中液體的黏度是促進癌細胞轉移的機械生物學線索。
對癌症治療的影響
癌症患者通常不會死於腫瘤的原始來源，而是死於腫瘤擴散到身體的其他部位。
當癌細胞穿過身體時，它們會進入具有不同液體黏度的空間。 了解液體黏度如何影響腫瘤細胞的運動可以幫助研究人員找到在癌症轉移之前更好地治療和檢測癌症的方法。
下一步是建立成像和分析技術，以精確檢查各種類型實驗動物的細胞如何響應流體黏度的變化。 識別調節細胞如何響應黏度變化的分子可以幫助研究人員識別潛在的藥物靶點，以減少癌症的擴散。
本文由 The Conversation 重新發布，The Conversation 是一家非營利獨立新聞機構，為您提供事實和值得信賴的分析，幫助您了解我們複雜的世界。 撰稿：李一增， 賓漢姆頓大學、紐約州立大學
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李一增獲得美國國家科學基金會資助。
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