細胞遷移廣泛存在于生命體的各個階段，是生命體執行多種生理活動必不可少的基礎。實驗及理論分析表明，單個細胞的遷移需要往復經歷偽足伸出、粘附形成、肌球蛋白收縮以及尾部解離等幾個階段。細胞集體遷移時的運動機制與獨立遷移時的運動機制類似，但細胞之間相互的力學和化學作用，使細胞在集體遷移的過程中表現出迥異于獨立遷移時的運動特征。相比于對單個細胞遷移過程的理解，目前對細胞的集體遷移行為及其背后的發生機制仍知之甚少。
圖 1 兩個細胞在圓形區域內的“太極”運動模式，類似于被彼此潮汐鎖定的雙星系統(Biophysical Journal, May 17, 2022, 封面)
為了探究多個細胞在圓形區域內自發的運動模式，西安交通大學徐光魁教授團隊通過考慮微管、細胞核等細胞結構，建立了單個細胞、兩個細胞和多個細胞在圓形區域內的結構力學模型，并模擬它們的時空演化行為。與實驗觀察到的現象類似，單個細胞在圓形區域內會自發地從“徑向”模式轉變為“手性”模式。在該過程中，細胞內部原先沿著徑向的微管在漲落的作用下發生傾斜，并對細胞核產生力矩，促使細胞核轉動，從而形成手性(圖2)。
圖 2圓形區域內的單個細胞。當細胞核在隨機力的作用下發生逆時針轉動，細胞形成逆時針手性。
進一步，若將兩個細胞約束在圓形區域內，這兩個細胞均會在漲落的作用下形成手性，但兩個細胞的手性方向并不總是相同的(圖3)。模擬結果表明，當兩個細胞形成相反方向的手性時，這對細胞保持靜止；當兩個細胞的手性方向相同時，這對細胞進行與手性方向相反的連續旋轉運動。有趣的是，類似于天體物理學中的雙星系統，進行連續旋轉運動的兩個細胞被彼此潮汐鎖定，始終都只有一側面對另外一個細胞以及圓形區域的中心。這一現象表明細胞的連續旋轉運動可以分為細胞繞著區域中心的公轉以及繞著自身形心的自轉(圖4)兩個部分。
圖 3 兩個細胞在圓形區域內的時空演化。(A)兩個細胞在漲落的作用下分別形成順、逆時針方向的手性后，保持靜止；(B)當兩個細胞形成順時針方向的手性時，這對細胞進行逆時針方向的連續旋轉運動。
圖4 細胞形成順時針方向的手性后，進行逆時針方向的連續旋轉運動時，圍繞自身形心的自轉。
實驗中觀察到，隨著圓形區域內細胞數量的增加，細胞簇依舊會自發地進行連續旋轉運動。當細胞的數量增加到5個以后，細胞簇中會出現中心細胞(central cell)，并由此導致連續旋轉運動的持續時間明顯減小。模擬結果表明，當圓形區域內細胞數量2< k ≤ 5且不包含中心細胞時，細胞簇的轉動情況與k = 2時的轉動情況一致；但當k ≥ 5且出現中心細胞后，只有中心細胞形成手性，此時，細胞簇的連續旋轉運動源于外層細胞的不對稱性，中心細胞相對于外層細胞保持不動(圖5)。
此外，在連續旋轉運動中，細胞簇的轉動速度
會隨著細胞與圓形邊界的平均接觸長度的伸長而增大。隨著與圓形邊界接觸的細胞數量的增加，逐漸縮短，細胞簇的轉動速度也逐漸減慢。當圓形區域內的細胞數量k = 5時，若細胞簇中出現中心細胞，外層細胞與邊界的平均接觸長度伸長，因此，中心細胞的出現加速了細胞簇的轉動(圖5D)。
圖5 多個細胞在圓形區域內的連續旋轉運動
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.04.011
