數(shù)十年來，研究人員都是利用培養(yǎng)皿來研究細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。然而這些經(jīng)典的組織培養(yǎng)工具只能允許二維運(yùn)動(dòng)，這與細(xì)胞在人類中所做的三維運(yùn)動(dòng)有著很大的不同。

在來自賓夕法尼亞大學(xué)與國立牙科和顱面研究所的一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們采用一種創(chuàng)新的技術(shù)研究了細(xì)胞在與皮膚組織結(jié)構(gòu)相似的三維基質(zhì)中是如何運(yùn)動(dòng)的。他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，就像發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞，細(xì)胞核生成壓力將細(xì)胞質(zhì)膜向前推，幫助推動(dòng)了細(xì)胞在基質(zhì)中前進(jìn)。

賓夕法尼亞大學(xué)牙醫(yī)學(xué)院口腔正畸學(xué)系教授Hyun (Michel) Koo說：“我們的研究工作闡明了一個(gè)非常有趣的問題：當(dāng)細(xì)胞處在生理相關(guān)的復(fù)雜3D胞外基質(zhì)環(huán)境中時(shí)會如何移動(dòng)？我們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核可以發(fā)揮活塞作用，分隔細(xì)胞質(zhì)，提高靜水壓力驅(qū)動(dòng)細(xì)胞在3D基質(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。”

Koo與主要作者Ryan Petrie，及資深作者Kenneth Yamada一起，將這項(xiàng)研究發(fā)表在8月29日的《科學(xué)》（Science）雜志上。

Petrie說：“我們認(rèn)為這是一個(gè)以往未知的、非常重要的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)正常生理學(xué)機(jī)制。”

研究人員針對結(jié)締組織中最常見的細(xì)胞類型——成纖維細(xì)胞展開了研究。成纖維細(xì)胞自身會生成包括膠原蛋白（collagen）和纖連蛋白（fibronectin）在內(nèi)的一些蛋白質(zhì)，構(gòu)成皮膚、腸道和機(jī)體其他組織中復(fù)雜的基質(zhì)。研究人員利用由成纖維細(xì)胞生成的基質(zhì)測試了細(xì)胞是如何遷移通過三維結(jié)構(gòu)的。

在二維表面上研究成纖維細(xì)胞表明，最典型的運(yùn)動(dòng)形式與板狀偽足（lamellipodia）相關(guān)，它是由于肌動(dòng)蛋白聚合成纖維，將細(xì)胞膜推向前所產(chǎn)生。而在2012年，Petrie和Yamada證實(shí)當(dāng)將成纖維細(xì)胞放置到三維基質(zhì)中，它們遷移時(shí)可以切換至一種不同的移動(dòng)策略：利用葉狀偽足（lobopodia）。

研究人員并不知道這些葉狀偽足是如何形成的。他們懷疑有可能是由于細(xì)胞內(nèi)增高的壓力所產(chǎn)生。研究人員利用先進(jìn)的微電極測量了細(xì)胞內(nèi)液體的靜水壓力，發(fā)現(xiàn)相比于在二維表面或是沒有交聯(lián)的三維基質(zhì)中的細(xì)胞，在三維胞外基質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞壓力顯著增高。

為了深入探究在三維基質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞內(nèi)部的壓力分布，他們檢測了來自細(xì)胞核前后的壓力。利用葉狀偽足的細(xì)胞其細(xì)胞核前方的壓力增高，產(chǎn)生的能量推動(dòng)了細(xì)胞前進(jìn)。利用活細(xì)胞共聚焦顯微鏡，他們觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核被拉向前，遠(yuǎn)離細(xì)胞的后部，細(xì)胞核將細(xì)胞分成了高壓和低壓區(qū)室。

Petrie 說：“當(dāng)細(xì)胞在基質(zhì)中時(shí)，細(xì)胞核往往在細(xì)胞的后部，細(xì)胞體的形狀呈管狀。它真的看起來像一個(gè)活塞”

他們發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是肌動(dòng)蛋白絲將細(xì)胞核與細(xì)胞前部連接，拉動(dòng)細(xì)胞核向前。這種移動(dòng)給細(xì)胞“施加了壓力”。科學(xué)家們還識別了導(dǎo)致這一細(xì)胞核活塞運(yùn)動(dòng)的一些蛋白質(zhì)組件，包括肌動(dòng)球蛋白（actomyosin）、波形蛋白（vimentin）和nesprin蛋白。

Petrie說：“是壓力推動(dòng)了質(zhì)膜。”

由于這只發(fā)生于在細(xì)胞生成的三維基質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞身上，在其他基質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞則無此現(xiàn)象，研究人員指出細(xì)胞一定是感知它們的物理環(huán)境確定了采用哪種運(yùn)動(dòng)。

研究人員指出，這種細(xì)胞運(yùn)動(dòng)有可能也在機(jī)體其他組織中常見。當(dāng)他們?nèi)〉脕碜韵ボ浌堑能浌羌?xì)胞和來自腸組織的成肌纖維細(xì)胞，將它們放置在基質(zhì)中時(shí)，這些細(xì)胞利用了相同類型的葉狀偽足驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。

這一研究發(fā)現(xiàn)還有可能對于理解如癌癥等疾病具有重要的意義，因?yàn)榘┘?xì)胞往往以不同于正常細(xì)胞的方式運(yùn)動(dòng)。