PNAS：揭秘上皮细胞如何协作

　　

生物通报道：在机体修复皮肤创伤的过程中，上皮片epithelial sheet扩展在组织中建立了张力，从而促进细胞分裂并加快伤口的愈合速度。现在，科学家们揭开了伤口愈合时上皮细胞的运动机制，提出细胞就像结队飞行的鸟儿一样，相互协调自身运动去覆盖并修复皮肤创伤。该文章发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

人们曾经认为，只有皮肤伤口边缘的细胞在积极运动，而分裂细胞则被动地填充在中间。但Rice大学物理学家Herbert Levine及其同事发现，伤口各处的细胞都在高度活跃地拉动彼此，这样才能更有效的修复皮肤创伤。

Levine认为理解受伤后细胞保护伤口的协作机制很重要，为此他引入了计算机模型对上皮片进行了分析。他希望这一研究可以为创伤修复和癌症研究带来新启示，这也是他研究的主要动力。

研究人员在实验观察的基础上建立了计算机模型，以解析生物系统的规则。“我们用物理学理论将单细胞实验结果结合起来，建立了一个体现多细胞系统的综合途径，”他说。

此前，一项哈佛大学的研究显示“伤口中间的细胞仍然充满运动活力，并不是被动的” Levine说。“这些数据使我们决定换一种方式来考虑这个问题。”

机体修复创伤涉及到多方面的力量，其中许多都与细胞生物学有关，例如告诉细胞何时行何时停、何时分裂何时死亡的内外部信号等等。而Levine及其同事主要关注的是细胞之间的物理相互作用，旨在分析不依赖复杂信号网络的细胞现象。

传统观点认为只有伤口边缘的细胞在拉动组织，而其他细胞袖手旁观。哈佛大学的研究虽然提出了异议，但并未说明伤口中部细胞是如何参与其中的。Levine等人从天空获得了灵感，鸟群飞翔时每个成员都要相互做出调整，他们把这一现象应用到伤口愈合时的细胞运动中去。

细胞用肌动蛋白纤维驱动的板状伪足来运动。研究人员指出，相邻细胞的板状伪足相互重叠并会由此产生相互影响，从而使各细胞的运动趋势得以相互协调。当伤口出现时，上皮细胞就会彼此协调各自的运动方向和运动速度，共同产生定向拉力。

Levine希望将这一细胞运动模型应用到乳腺癌的转移扩散中，将研究成果与癌症联系起来也是他的研究初衷。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Alignment of cellular motility forces with tissue flow as a mechanism for efficient wound healing

Recent experiments have shown that spreading epithelial sheets exhibit a long-range coordination of motility forces that leads to a buildup of tension in the tissue, which may enhance cell division and the speed of wound healing. Furthermore, the edges of these epithelial sheets commonly show finger-like protrusions whereas the bulk often displays spontaneous swirls of motile cells. To explain these experimental observations, we propose a simple flocking-type mechanism, in which cells tend to align their motility forces with their velocity. Implementing this idea in a mechanical tissue simulation, the proposed model gives rise to efficient spreading and can explain the experimentally observed long-range alignment of motility forces in highly disordered patterns, as well as the buildup of tensile stress throughout the tissue. Our model also qualitatively reproduces the dependence of swirl size and swirl velocity on cell density reported in experiments and exhibits an undulation instability at the edge of the spreading tissue commonly observed in vivo. Finally, we study the dependence of colony spreading speed on important physical and biological parameters and derive simple scaling relations that show that coordination of motility forces leads to an improvement of the wound healing process for realistic tissue parameters.