细胞迁移分析:偏向虎山行[创新技巧]

【字体: 时间:2015年07月27日 来源:生物通

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  研究人员在研究迁移时,面临着艰难的选择。一方面,他们需要简化的体外系统,来检验特定的假说和解析运动的机制。另一方面,他们又想要在组织和活体的背景下研究这些机制。这种矛盾促使越来越多的研究人员开始求助于三维(3D)模型和活体成像技术。

癌症,真是一个沉重的话题,而肿瘤转移,更是让人谈虎色变。如今,许多研究人员都试图理清肿瘤转移的分子机制。在这一期的《BioTechniques》杂志上,Sarah Webb博士介绍了人们在研究癌细胞迁移时所用的工具。

细胞迁移是个复杂的过程,意味着细胞摆脱束缚,在生物体内移动,并侵入新的组织。然而,癌细胞迁移的研究,还面临着独特的挑战。肿瘤是个异质性的群体,只有一小部分细胞能够获得迁移的特性,并移动到新的组织。根据微环境的不同,转移细胞表现出善变的迁移模式。

因此,研究人员在研究迁移时,面临着艰难的选择。一方面,他们需要简化的体外系统,来检验特定的假说和解析运动的机制。另一方面,他们又想要在组织和活体的背景下研究这些机制。这种矛盾促使越来越多的研究人员开始求助于三维(3D)模型和活体成像技术。

3D建模

我们对细胞的了解很多都来自2D实验。不过,通过2D实验观察到的分子机制并不一定能带来正确的答案。美国国家牙科和颅面研究所的Kenneth Yamada表示,目前已经很清楚,2D的相当一部分结论可能不适用于3D系统。信号传导、细胞形态,以及细胞迁移的生物物理机制都存在差异。

荷兰内梅亨分子科学研究所的Peter Friedl认为,过去十年3D模型的开发对于细胞迁移的研究是至关重要的。这些复杂的模型让研究人员能够控制支架的孔径和硬度等因素,这些对细胞运动可能很重要。最近,Yamada的研究小组就在正常和肿瘤细胞中发现了一种全新的迁移机制,其中细胞利用类似活塞的核向前运动。

微流体设备

微流体设备和三明治分析是检验迁移假说的另一个重要途径。Mingming Wu是康奈尔大学的一名生物工程师。八年前,她的实验室开发出一种琼脂糖凝胶微流体设备。“如果你想要观察鱼如何游动,最好是将它们放在鱼缸里,而不是大海里,”她这样描述微流体的重要性。

据Wu介绍,微流体克服了经典Boyden小室的一些缺点。通过Boyden小室,研究人员能观察到细胞如何对化学信号作出反应。不过,对癌细胞而言,它也有限制。“你无法通过它观察到单个细胞的行为,这对癌症很重要。”而微流体设备的大小与细胞接近,可控制液体和化合物在细微的通道中流动。

哺乳动物模型

过去十年,细胞迁移的研究已经从基本机理转移到疾病病理。之前,依靠透明的动物,比如线虫、斑马鱼,人们已经获得了细胞在体内迁移的基本见解。如今,人们开始高难度的挑战,以哺乳动物作为研究目标。当然,这很困难。小鼠组织是不透明的,可见光只能穿透100微米,而且生成一定数量的小鼠模型很昂贵,也很耗时。

尽管如此,越来越多的研究人员还是采用活体成像技术来研究小鼠中的细胞迁移。这种技术依赖转基因小鼠以及显示肿瘤细胞的荧光报告分子,之后再利用显微镜来追踪。

为了深入小鼠,研究人员使用了影像窗,经手术植入小鼠组织的透明入口。他们可以在背部皮肤褶皱、靠近乳腺以及腹部植入这些观察窗。通过多光子显微镜,研究人员用更长波长、更具穿透性的红外和远红外光来激活报告分子,从而达到小鼠组织中毫米级的深度。

此外,细胞迁移也吸引了计算生物学家和数学建模人员。数学和迁移分析等领域正在融合。一些研究人员利用计算工作来模拟细胞的3D环境,以及它们如何影响细胞的组织和运动。这种高度受控的系统让研究人员能够生成新的假说,并建立新的实验来检验它们。(生物通 薄荷)

原文检索

THE DEPTHS OF CELL MIGRATION

BioTechniques, Vol. 59, No. 1, July 2015, pp. 8–12

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