Notch信号通过调控细胞力学协调性引导内皮细胞定向集体迁移的整合二维框架研究

本研究开发了一种创新的二维体外分析框架，可同步量化细胞迁移运动学、细胞-基质牵引力及细胞间作用力。研究人员通过调控Notch信号通路，揭示了其在血管内皮细胞定向集体迁移中的力学调控机制：Notch抑制虽不影响迁移方向性，但会改变细胞速度的时空分布模式，并显著降低细胞间机械协同性，表明Notch信号通过增强细胞集体力学凝聚力来优化迁移效率。

　　

在生命科学领域，集体细胞迁移是胚胎发育、组织修复和癌症转移等生理病理过程的核心环节。尤其在血管生成过程中，内皮细胞需要以高度协调的方式集体迁移形成新的血管网络。然而，研究人员长期面临一个关键难题：如何解析单个细胞力学特性与集体迁移行为之间的复杂关系？传统研究模型在机械生物学量化方面存在局限，特别是对于细胞间机械相互作用与细胞-基质力学耦合的同步分析缺乏有效手段。

荷兰埃因霍温理工大学和奥博学术大学的研究团队在《BMC Biology》上发表了创新性研究成果，他们开发了一种集成二维实验框架，成功实现了对细胞集体迁移过程中多力学参数的同步量化。该研究首次揭示了juxtacrine Notch信号通过调控细胞机械凝聚力来指导内皮细胞定向迁移的新机制。

研究人员采用多技术联用的策略：首先通过微图案化技术构建了四种标准化迁移模型（定向集体迁移、受限细胞集体、非受限单细胞和受限单细胞）；利用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）在12 kPa刚度（模拟血管基质力学特性）的胶原IV包被聚丙烯酰胺水凝胶上进行实验；采用γ-分泌酶抑制剂DAPT抑制Notch信号；结合粒子图像测速技术（PIV）、牵引力显微镜（TFM）和单层应力显微镜（MSM）对细胞运动学参数、细胞-基质牵引力和细胞间应力进行同步量化；通过时空动力学分析（kymographs）和区域特异性分析解析力学参数的分布特征。

定向集体迁移中Notch信号抑制影响迁移速度而非方向性

研究发现在Notch抑制条件下，内皮细胞集体仍能保持定向迁移能力，迁移方向始终垂直于集体边缘（x轴方向）。但Notch抑制集体在早期迁移阶段（t<4 h）表现出更快的迁移速度（1.7倍于对照组），而在后期阶段（t>4 h）速度反而下降。空间分析显示Notch活性集体的边缘细胞始终维持较高速度，而Notch抑制集体的速度分布变得均匀，失去了典型的"leader-follower"细胞行为模式。

Notch活性集体迁移需要更高的细胞牵引力

牵引力分析表明，Notch活性集体在迁移过程中需要持续增加牵引力 magnitude（较初始值提升1.5倍）来维持集体扩张，而Notch抑制集体仅需维持恒定牵引力即可实现类似扩张程度。应变能分析显示Notch活性集体向基质传递的能量显著更高。迁移效率量化表明Notch活性集体在早期阶段维持更高的牵引力-位移协调性（η值更高），表明其力学传递更加高效。

Notch信号调控集体迁移的Plithotaxis机制

细胞间应力分析揭示了关键机制：Notch活性集体能够维持更长时间的稳定张力状态（平均正常应力≈60 Pa持续12 h），同时剪切应力稳步增加；而Notch抑制集体仅能维持6小时的稳定张力后就开始出现应力下降。应力各向异性分析表明，两组细胞都遵循最大主应力方向迁移（Plithotaxis机制），但Notch活性集体表现出更缓慢、更持续的应力各向异性发展过程。方向性分析证实最大主应力方向与迁移方向高度一致（沿x轴方向）。

研究结论表明，juxtacrine Notch信号通过增强内皮细胞集体的机械凝聚力来优化定向迁移效率。Notch活性集体通过维持更高的细胞-基质牵引力和细胞间应力，实现更持久、更协调的集体迁移行为；而Notch抑制虽然能够提高初始迁移速度，但代价是丧失力学协调性和长期迁移稳定性。该研究建立的集成二维框架为集体细胞迁移的机制研究提供了强大工具，所发现的Notch-力学耦合机制对理解血管生成和肿瘤转移等过程具有重要启示意义。