美国弗吉尼亚理工大学最新研究：物理学家模拟细胞迁移以了解癌细胞如何导航组织

在间充质迁移期间，癌细胞像壁虎一样在墙上移动。

物理学家最低点卡普兰解释说，在选择这种运动模式之前，细胞的大小可能会粘在其表面。如果表面不太坚硬或柔软，向前的路径也不太狭窄，圆形细胞将迅速生长出像临时肢体一样的突起，向前突出并粘在表面上。然后，电池将向前拉并缩回其后部并重复该过程。

这种迁移模式是癌细胞在转移过程中导航组织的方式之一。在生物物理杂志发表的一项研究中，博士后物理学研究员Wenya Shu和科学学院物理学助理教授Kaplan通过细胞模拟和数学建模探索了间充质迁移。他们的目标：更多地了解癌细胞如何扩大周围组织的刚度，并适应他们的壁虎样运动。

舒说，该模型及其对间充质迁移的认识是了解癌细胞整体迁移的第一步。细胞迁移是复杂的：细胞利用多种迁移模式，无论是单独的还是在菌落中。他说：“这是在这里提出计算模型的好处。”。“我们可以剖析许多成分的作用。”

实验表明，在间充质迁移过程中，细胞会根据硬度调整它们如何导航组织：它们被吸引到组织表面-或基质-这些表面不是太硬或太软。细胞无法生长并将其突起有效地附着在太硬的基质上，如果细胞抓住太软的组织，它们最终会将其拉回到身体上，而不是用它将自己拉向前。舒和卡普兰的细胞模拟支持了这些实验结果。

他们的模拟向研究人员证实，细胞通过将它们与自身软体的物理特性进行比较来区分软表面和硬表面。衬底材料特性将影响电池的方向以及它们移动的效率。

为了确保该模型准确地模拟癌细胞迁移，Kaplan和Shu不仅建立了细胞如何响应组织的基质力学，还建立了它们如何调整其内部生化信号。在导航组织时，细胞也可能对体内营养源的分泌物产生化学反应。舒说，研究人员的模型是第一个模拟这两种细胞运动驱动因素如何发挥作用的模型。

研究人员发现，无论整体运动是否有效，细胞都倾向于沿着由其强大的内部化学信号决定的方向移动。但没有强烈的化学信号可以遵循，他们专注于基板特性。

通过将这些间充质迁移元素拼接在一起并在模型中复制它们，Kaplan看到了向更好地理解和确定转移可能发生的方式和位置的转变。

转移也可能涉及多种细胞迁移模式。间充质迁移倾向于通过组织迁移到血管中的初始模式，但是细胞通常转向变形虫迁移。而细胞在前一种模式下像壁虎一样移动，后者让它们更像坦克级。卡普兰说：“他们只是向前滚动。”。

Kaplan说，化疗对间充质迁移中的癌细胞有效，但当细胞转向变形虫迁移时效果不佳。为了让实验者理解这种转变，他们首先需要更好地掌握间充质模式。

卡普兰说，这就是我们在这里取得的进展。

接下来，Shu和Kaplan希望使用该模型来研究细胞-细胞相互作用如何影响迁移，因为单个细胞相互碰撞并引发其方向的变化。他们还想了解细胞如何在微环境中协商更弯曲，狭窄的通道。

每一项更密切地模拟细胞迁移的努力都使团队更接近了解癌细胞如何侵入身体。卡普兰说：“我们想提出一种预测模型，可以产生新的定性行为，解释更多的测量结果并激发新的实验。”。

他说：“实验非常全面，但它们从模拟中受益匪浅，例如，当解决这些细胞变形动力学中非常小的时间尺度时，我们基本上可以辨别所有这些成分。”。