本文最初发布于 The Conversation。
细胞迁移，即细胞在体内的运动方式，对于正常的身体功能和疾病进展都至关重要。细胞运动使得身体各部分在早期发育时能够正确生长，伤口能够愈合，肿瘤能够发生转移。
在过去一个世纪里，研究人员对细胞迁移的理解仅限于指导细胞从一个地方移动到另一个地方的生化信号或趋化性的影响。例如，一种叫做中性粒细胞的免疫细胞会迁移到体内称为 IL-8 的蛋白质浓度较高的区域，这种蛋白质在感染期间会增加。
然而，在过去二三十年里，科学家们开始认识到在细胞迁移中起作用的机械或物理因素的重要性。例如，人类乳腺上皮细胞——乳腺导管内衬的细胞——当放置在具有硬度梯度的表面上时，会迁移到硬度增加的区域。
现在，研究人员不再只关注细胞“固体”环境的影响，而是转向了它们“流体”环境。作为一名受过应用数学训练的理论家，我利用数学模型来理解细胞生物学背后的物理学。我的同事 Sean X. Sun 和 Konstantinos Konstantopoulos 以及我，是我们最早发现水和静水压力如何通过理论模型和实验室实验影响细胞迁移的科学家之一。在我们最近发表的研究中，我们发现人类乳腺癌细胞的迁移受到周围流体的流动和粘度的增强，从而阐明了影响肿瘤转移的一个因素。
液体如何影响细胞迁移
人体内的细胞不断暴露在具有不同物理性质的液体中。水就是一种可以指导细胞迁移的液体。例如，我们发现水流过乳腺癌细胞膜的方式会影响它们的运动和转移。这是因为进出细胞的水量会导致细胞收缩或膨胀，通过转位细胞的不同部分来诱导运动。
体液的粘度，即稠度，因器官和健康状况与疾病而异，这也可能影响细胞迁移。例如，肿瘤中癌细胞之间的液体比健康组织中正常细胞之间的液体更具粘性。当我们比较乳腺癌细胞在充满正常粘度液体与高粘度液体约束通道中的移动速度时，我们发现细胞在高粘度通道中的移动速度反常地加快了 40%。这一发现出人意料，因为物理学的基本定律告诉我们，惰性粒子在粘度高的液体中应因阻力增加而减慢。
我们想找出这一令人惊讶的结果背后的机制。因此，我们确定了参与此过程的分子，并发现了一系列事件，这些事件使得高粘度环境能够增强细胞的运动能力。
我们发现，高粘度液体首先促进称为肌动蛋白的蛋白质纤维的生长，这会打开细胞膜上的通道并增加水的摄入。细胞因水的进入而膨胀，激活了另一个摄入钙离子的通道。这些钙离子会激活另一种称为肌球蛋白的蛋白质纤维，从而诱导细胞移动。这一系列事件会诱导细胞改变其结构并产生更大的力来克服高粘度液体施加的阻力，这意味着细胞根本不是惰性的。
我们还发现，细胞在暴露于高粘度培养基后会保留“记忆”。这意味着，如果我们把细胞放在高粘度培养基中几天，然后将它们放回正常粘度培养基中，它们仍然会以更快的速度移动。细胞如何保留这种记忆仍然是一个悬而未决的问题。
然后我们想知道，我们关于粘滞记忆的发现是否在动物体内也成立，而不仅仅是在培养皿中。因此，我们将人类乳腺癌细胞暴露在高粘度培养基中六天，然后将它们置于正常粘度培养基中。之后，我们将这些细胞注射到鸡胚和老鼠体内。
我们的结果一致：与未经预暴露的细胞相比，预暴露于高粘度培养基的细胞渗入周围组织和转移的能力有所提高。这一结果表明，细胞周围环境流体的粘度是一种机械生物学信号，会促进癌细胞转移。
对癌症治疗的启示
癌症患者通常不是死于原发肿瘤，而是死于其扩散到身体其他部位。
当癌细胞在体内传播时，它们会进入具有不同液体粘度的空间。了解液体粘度如何影响肿瘤细胞的运动，可以帮助研究人员找到在肿瘤转移之前更好地治疗和检测癌症的方法。
下一步是建立成像和分析技术，以精确检查各种实验室动物的细胞如何响应液体粘度的变化。识别调节细胞响应粘度变化的分子，可能有助于研究人员确定潜在的药物靶点，以减少癌症的扩散。
Yizeng Li 是宾汉姆顿大学的生物医学工程助理教授。Binghamton University. Li 获得了美国国家科学基金会的资助。
