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在胚胎发育中，细胞定向集体迁移（dCCM）对形态发生至关重要。为探究其机制，研究人员以非洲爪蟾（Xenopus laevis）为模型开展研究。结果发现内源性电场可驱动神经嵴细胞 dCCM，Vsp1 是关键转导因子。该研究为理解胚胎发育等提供新视角。
在神奇的生命诞生过程中，胚胎发育就像一场精心编排的盛大演出，细胞们各自扮演着重要角色，而细胞的定向集体迁移（dCCM）则是这场演出中关键的一幕，它对于胚胎的形态发生起着决定性作用。以往的研究发现，化学、机械等多种因素都能影响细胞的迁移，但在生物体内，细胞究竟是如何在复杂环境中准确地找到自己的 “目的地”，实现有序迁移的呢？尤其是内源性电场在其中扮演着怎样的角色，一直是科学界亟待解开的谜团。
为了揭开这层面纱，来自葡萄牙古尔班基安科学研究所（IGC）、德国德累斯顿工业大学卓越生命物理集群（PoL）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们以非洲爪蟾（Xenopus laevis）的头部神经嵴细胞为研究对象，开展了一系列深入研究。最终发现，内源性电场能够驱动神经嵴细胞的定向集体迁移，并且鉴定出电压敏感磷酸酶 1（Vsp1）是这一过程中的关键分子，它能将电场信号转化为细胞迁移的方向信号。这一发现意义重大，不仅为我们理解胚胎发育的机制提供了全新的视角，也为相关疾病的研究和治疗开辟了新的方向。该研究成果发表在《Nature Materials》上。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。在检测内源性电场方面，他们使用了超灵敏振动探针和玻璃微电极测量技术，精确地记录了神经嵴细胞迁移路径上的电场情况；为了探究细胞对电场的响应，构建了体外电趋化实验体系；此外，还利用激光消融实验分析膜张力，通过基因编辑技术（如 CRISPR-Cas13）对关键基因 Vsp1 进行敲低，以研究其功能。
下面让我们详细了解一下研究的具体结果。
- 电场沿神经嵴迁移路径出现：研究人员利用超灵敏振动探针测量发现，在神经嵴细胞进入迁移阶段时，神经褶处存在向外电流，侧翼非神经外胚层存在向内电流。根据欧姆定律计算得出，在神经嵴的迁移路径上出现了 8 - 45mV/mm-1的内源性电场。玻璃微电极测量跨上皮电位（TEP）也证实了这一结果。进一步的时间分析表明，电场在神经嵴细胞迁移早期就已出现，并在细胞准备迁移时达到最大值，迁移开始后略有下降。这说明神经嵴细胞在迁移早期就与内源性电场接触，且电场的变化与细胞迁移阶段密切相关。
- 神经嵴细胞经历阳极集体电趋化：研究人员建立了体外电趋化实验，模拟体内电场环境。实验结果显示，在没有电场时，神经嵴细胞随机迁移；施加电场后，细胞会向阳极集体迁移，且迁移的方向性和速度会随着电场强度的增加而增强。此外，改变电场极性，细胞迁移方向也会相应改变。体内实验也表明，施加与内源性电场相似的外源性电场，能够影响神经嵴细胞的定向集体迁移，进一步证明了内源性电场对神经嵴细胞迁移的重要作用。
- 膜张力梯度是电场出现的基础：基于以往研究，膜拉伸可激活离子通道，且两栖动物体内存在应力差异，研究人员推测内源性电场可能源于神经褶膜的拉伸。通过膜激光消融实验和细胞 - 细胞连接回缩速度分析，证实了从非迁移阶段到迁移前期，神经褶细胞膜张力逐渐增加，且在迁移前期，野生型胚胎神经嵴迁移路径上存在膜张力梯度，神经褶处张力较高。抑制平面细胞极性（PCP）通路会降低神经褶膜张力，减少神经褶向外电流，抑制神经嵴细胞的定向集体迁移，表明 PCP 通路介导了膜张力梯度的形成和内源性电场的产生，进而影响神经嵴细胞的迁移。
- 电场使神经嵴细胞去极化：研究人员使用基因编码电压指示剂（GEVI Marina）检测神经嵴细胞对电场的电响应。结果显示，在野生型内源性电场水平下，神经嵴细胞膜去极化，GEVI Marina 信号增强；去除内源性电场后，信号降低；重新引入平行电场，信号又恢复。这表明神经嵴细胞对检测到的内源性电场电压敏感，电场能够使神经嵴细胞膜去极化，为后续研究电场影响细胞迁移的机制提供了重要线索。
- Vsp1 是电场的特异性传感器：研究人员通过筛选候选电传感器，发现 Vsp1 在神经嵴细胞中表达，且定位于细胞膜。利用多种敲低方法研究发现，Vsp1 敲低会导致神经嵴细胞在体外电趋化实验中失去迁移方向性，体内神经嵴细胞无法形成典型的迁移流，但不影响细胞的运动性和对趋化因子的响应。过表达更敏感的 Vsp1 突变体（Xl-Vsp1-R152Q-GFP），可增强神经嵴细胞在亚最佳电场下的定向响应，证明 Vsp1 对神经嵴细胞响应电场和集体电趋化至关重要。
- 内源性电场驱动神经嵴迁移：研究人员进行了拯救实验，在耗尽内源性电场后，引入与体内相同大小和方向的平行外源性电场。结果发现，外源性电场能够拯救因 PCP 抑制而受损的神经嵴细胞定向集体迁移，但无法拯救 Vsp1 敲低的神经嵴细胞迁移。这进一步证实了内源性电场对神经嵴细胞电趋化的重要性，以及 Vsp1 在这一过程中的关键作用。
综上所述，该研究揭示了内源性电场在神经嵴细胞定向集体迁移中的关键作用，明确了 Vsp1 是将内源性电场信号转化为细胞迁移方向信号的关键分子，为理解胚胎发育过程中细胞迁移的调控机制提供了重要依据。同时，也为生物电刺激在组织修复、再生医学等领域的应用提供了理论基础。然而，目前仍有许多问题有待进一步研究，例如内源性电场如何激活 Vsp1，Vsp1 介导电趋化的下游信号通路等。未来的研究将围绕这些问题展开，有望进一步揭示细胞定向迁移的奥秘，为生命科学和健康医学领域带来更多突破。
