NC：研究三维上皮组织管腔化中的细胞集体迁移运动

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近日，新加坡国立大学Lim Chwee Teck教授研究组和法国Institut Jacques Monod的Benoit Ladoux教授合作，巧妙利用柔性微管支架引导上皮组织细胞集体迁移，并形成中空管腔的三维结构。整个过程用高分辨显微镜记录，并对组织内每个细胞追踪分析，用生物物理模型解释细胞集体运动行为，阐述了上皮组织管腔化的动力学过程。报道相关工作的文章题目为“Emergent patterns of collective cell migration under tubular confinement”（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01390-x）。奚望博士，Surabhi Sonam博士和苏团民博士为该论文共同第一作者。

管腔结构是人体器官的主要组成部分，而上皮组织的管腔化过程常常受益于细胞的集体迁移运动。该过程往往发生在复杂的三维生理环境中，细胞时刻面临着高曲率曲面和空间限域的微观环境。研究人员已经发现环境因素对细胞的运动和组织结构有着重大的影响，例如平面二维的限域作用可以导致群体迁移的细胞表现出类似扩散的动力学过程，而有规律分布的微观空间障碍又能够引起上皮组织-间充质转化（ epithelial–mesenchymal transition）。此外，最新的研究发现，曲面对于组织细胞的极化，生殖，干细胞的分化，还有伤口愈合均有着深刻的影响。然而，目前大部分对于细胞和组织的研究都是在二位平面上进行的。这样的结构不仅离体内的复杂三维结构相差甚远，还会诱导细胞形成和体内组织细胞截然不同的表型。现有的三维水凝胶培养技术虽然可以生长类似管状形貌的细胞组织结构，但是该方法的生长方向极具不确定性，导致三维成像过程复杂以及数据处理量过大的问题。另外，至今没有在三维框架中研究管腔化过程中细胞集体迁移运动的先例。现有少数相关研究要不没有生长出中空的管腔，要不其研究目标侧重于阐明分子生物学机制。因此，以上原因导致管腔化过程中上皮细胞的集体运动机制至今没有得到具体的阐述。

图1，上皮细胞在直径=25微米（左）和100微米的微管中形成的中空管腔结构的三维荧光图片：蓝色显示细胞核；绿色显示细胞顶极化；红色显示肌动蛋白。蓝色箭头标识细胞集体迁移方向；白色箭头标识领头细胞；桔色箭头显示中空管腔。

在这项研究中，前述的研究团队首先利用模板法在透明聚合物中构建出圆管状微型通道，然后把上皮组织细胞培养在微管末端，诱导他们定向集体迁移并在微管中形成管腔，进而观察其中的组织结构和细胞运动过程。该团队发现上皮细胞可以保持细胞间的联结，作为一个整体而集体迁移进入各种口径的微管，并且即使在管径只相当于一个细胞直径的微管中，类似体内的中空型毛细管腔也可以形成（参见图1）。然而这些不同直径的上皮微管结构不尽相同，首先，细胞的骨架在最小的微管中（负曲率面）通常是顺着管道方向排列。而当微管直径逐渐扩大，骨架的排列开始变得和平面组织一样无序而杂乱（参见图2）。此外，当上皮组织生长在微管的外表面时（正曲率面），细胞骨架往往是沿着垂直于管道方向排布。这样截然不同的细胞骨架结构表明上皮组织会根据不同的曲面调整内部的结构，从而平衡组织内部的张力和伸缩力。另外在越小的微管中，细胞越倾向于沿着管道方向延伸，这也应对了细胞骨架的排布方向趋势。

图2，上皮组织细胞骨架排列方向随着管径（直径=25微米（左），100微米（中）和250微米（右））变化。LCs: leader Cells，带头细胞；FCs: Follower Cells，跟随细胞。蓝色箭头指示细胞集体迁移方向，白色箭头标识沿着管道方向排布的骨架纤维。

图3，PIV分析得到细胞在三维微管中集体迁移的速度场分布图（白色类椭圆形为细胞核）。左：25微米微管，显示在一个上皮组织微管结构中，同时存在向前和向后的迁移；中：100微米微管，显示均一的向前的迁移方向；右：250微米微管，显示同时存在的多个突出领头细胞群（白色箭头）。

新加坡和法国的研究团队还观察到细胞群体运动的机制和三维微管支架的管径息息相关，上皮组织伸展的速率和微管的直径呈正相关。相比之下二维平面限域下，上皮组织的延展速率和限域程度是成反比的。通过三维成像和粒子图像测速法（PIV）技术，该团队得以在三维空间追踪每一个细胞每一个时刻的位移和运动方向（参见图3）。分析表明组织生长伴随着拉伸和紧缩常常发生在最细小的微管中，而在直径较大的微管中，细胞呈现比较均一的向前的集体运动。该团队进一步发现肌球蛋白轻链磷酸化程度也会随着管径变化而变化，在直径最小的微管中磷酸化的肌球蛋白轻链往往不和肌动蛋白纤维偶合，而在较大的微管中，这两者常常重叠着同时出现。这表明空间限域作用导致上皮组织张力和伸缩力下降，因而导致上述的组织延展速率和管径成正比的现象。另外，在微管里的狭小空间里发生的细胞分裂也会对组织的整体延展速度有影响。而越小的微管，空间越小，导致同样比例的细胞分裂次数在直径较小的微管中显著的降低了组织的伸展平均速度。该研究小组还发现在较大直径的微管中，细胞的板状伪足倾向于向细胞的集体前进方向伸出，而当管径变小时，这样的板状伪足会同时往前和往后伸出。这等于同时出现往前和往后的位移倾向，因而降低了向前的平均速率。最后，该团队观察到细胞间连接是维持集体迁移的必要条件，当使用无法形成稳定细胞间联结的细胞株时，典型的上皮细胞集体迁移运动无法形成，完整的上皮组织空腔也不能在微管中产生。总而言之，这项研究成果对于理解上皮组织在三维空间的集体运动规律和 管腔化过程提供了重要线索。

Lim Chwee Teck教授和Benoit Ladoux教授为此项研究的共同通讯作者。其中，Lim Chwee Teck教授是新加坡工程院院士，新加坡国立大学NUSS教授(National University of Singapore, NUSS Professor)，他带领的研究团队在生物医学工程，微流计，组织工程，生物材料，以及生物力学等方向有着极为深入的研究。他的课题组已经在Nature, Nature Materials, Nature Protocols, Nature Communications, PNAS 和Advanced Materials等顶级刊物发表了多篇论文。他领导开发的新型微流计芯片已经成功商业化，并广泛应用于生物医学工程领域，例如从血液里分离循环癌细胞和智能压敏传感器用于检测脉搏等生理信号。他个人引用次数已经超过26000次，H因子为81。他领导的团队还获得了超过80个国家级和国际级创新奖励。

Benoit Ladoux 教授是法国科学院终身高级研究员，Institute Jacques Monod研究所研究主任，巴黎第七大学生物系教授。他长年致力于对生物物理，细胞生物学，细胞集体运动，细胞机制，生物智能微纳器件和组织工程方向的研究。他领导的团队经常在国际顶级学术期刊发表论文，这包括Nature，Nature Materials，Nature Cell Biology，Nature Physics，Nature Communications，Physical Review Letters, PNAS和Nano Letters等。他的个人引用次数超过6100次，H因子为35.

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文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01390-x

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