癌细胞如何移动和转移受周围液体的影响

细胞迁移，或细胞在体内的移动方式，对于正常的身体功能和疾病进展都至关重要。细胞运动使身体部位在早期发育过程中在正确的位置生长，伤口得以愈合，肿瘤得以转移。

在上个世纪，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，一种称为嗜中性粒细胞的免疫细胞会迁移到体内具有较高浓度的称为 IL-8 的蛋白质的区域，该蛋白质在感染期间会增加。

然而，在过去的两三年中，科学家们开始认识到在细胞迁移中发挥作用的机械或物理因素的重要性。例如，当放置在具有刚度梯度的表面上时，人类乳腺上皮细胞(位于乳房乳管内壁的细胞)会迁移到刚度增加的区域。

现在，研究人员不再只关注细胞“固体”环境的影响，而是转向细胞的“液体”环境。作为受过应用数学训练的理论家，我使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以及我都是通过理论模型和实验室实验发现水和水压如何影响细胞迁移的先驱科学家。在我们最近发表的研究中，我们发现人乳腺癌细胞迁移因流动和粘度而增强它们周围的液体，阐明了影响肿瘤转移的因素之一。

人体内的细胞不断地暴露在不同物理性质的液体中。水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移动和转移方式。这是因为进出细胞的水量会导致细胞收缩或膨胀，从而通过转移细胞的不同部分来诱导运动。

体液的粘度或稠度因器官而异，因健康状况与疾病而异，这也会影响细胞迁移。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粘稠。当我们比较乳腺癌细胞在充满正常粘度液体和高粘度液体的受限通道中移动的速度时，我们发现高粘度通道中的细胞速度反常地加快了40%。这一发现出乎意料，因为基本物理定律告诉我们，由于阻力增加，惰性粒子在高粘度流体中应该减速。

我们想弄清楚这个令人惊讶的结果背后的机制。因此，我们确定了该过程中涉及哪些分子，发现了一系列事件，这些事件允许高粘度环境增强细胞运动性。

我们发现高粘度液体首先会促进称为肌动蛋白的蛋白丝的生长，肌动蛋白会打开细胞膜中的通道并增加水的摄入量。细胞从水中膨胀，激活另一个吸收钙离子的通道。这些钙离子激活另一种称为肌球蛋白的蛋白丝，诱导细胞移动。这一系列事件诱导细胞改变其结构并产生更多的力来克服高粘度流体施加的阻力，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介质后保留了“记忆”。这意味着如果我们将细胞放在高粘度介质中几天，然后将它们放回正常粘度介质中，它们仍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性记忆的发现是否适用于动物，而不仅仅是培养皿。因此，我们将人类乳腺癌细胞暴露在高粘度介质中六天，然后将它们置于正常粘度介质中。然后我们将细胞注射到鸡胚胎和小鼠体内。

我们的结果是一致的：与未预先暴露的细胞相比，预先暴露于高粘度介质的细胞渗漏到周围组织和转移的能力增强。该结果表明，细胞周围环境中的液体粘度是促进癌细胞转移的机械生物学线索。

了解细胞如何移动有助于阐明肿瘤如何转移。

对癌症治疗的影响

癌症患者通常不会死于肿瘤的原始来源，而是死于其扩散到身体的其他部位。

当癌细胞穿过身体时，它们会进入具有不同液体粘度的空间。了解流体粘度如何影响肿瘤细胞的运动可以帮助研究人员找出在癌症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，以精确检查来自各种类型的实验室动物的细胞如何响应流体粘度的变化。确定调节细胞如何响应粘度变化的分子可以帮助研究人员确定潜在的药物靶标以减少癌症的扩散。

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