基质刚性动态变化通过力不平衡驱动细胞在软基底上快速迁移的新机制

本研究针对细胞在软基质（<4 kPa）中迁移受限的难题，创新性地利用光响应水凝胶实现基质刚性的快速循环变化（1分钟周期）。发现人间充质干细胞（hMSCs）可通过周期性形态改变（伸长-快速回缩）实现速度提升36倍的快速随机迁移，该过程无需细胞极性建立，由肌球蛋白IIa（pMyosin IIa）产生的内力和黏附力间的不平衡驱动。研究揭示了细胞适应动态力学微环境的固有能力，为组织发育和疾病进展中的细胞行为提供了新见解。

　　

细胞迁移在组织发育、伤口愈合和癌症转移等多种生理和病理过程中起着至关重要的作用。大量研究揭示了驱动细胞迁移的复杂分子机制，强调了化学信号和生物物理线索的影响。在这些线索中，细胞外基质（ECM）的机械特性，特别是基质的刚性，已被确定为控制细胞迁移的关键因素。根据传统的“马达-离合器模型”（motor-clutch model），细胞在刚性基质上通常采用间充质迁移模式，其特征是伸长形态和稳定黏着斑（focal adhesions, FAs）的形成。然而，该模型难以解释细胞在天然柔软环境（如肺、肝和乳腺组织，其弹性模量通常低于4 kPa）中的迁移行为，因为软基质无法提供足够的牵引力来推动细胞前进。

这种传统观点虽然具有启发性，但未能充分解释细胞在各种组织和器官天然柔软环境中的迁移行为。近期进展强调，空间梯度刚性（趋硬性，durotaxis）和时间依赖性刚性（在粘弹性基质上）都会显著影响细胞迁移模式。值得注意的是，识别出促进细胞迁移的最佳基质粘弹性强调了牵引力平衡的重要性，正如分子离合器模型所描述。先前研究表明，基质刚性的快速变化可导致机械传导信号蛋白的积累，从而增强细胞牵引力。基于这些发现，本研究旨在探究全局时间动态变化的基质刚性对细胞在软基质上迁移的影响。

研究人员利用具有动态可逆切换刚性的光响应水凝胶，在快速循环刚性变化的基质上研究细胞迁移行为。光活性黄蛋白（PYP）在光照下的快速可逆构象变化使水凝胶能够在数小时内在软态和刚性态之间快速切换。时间分辨流变分析和原子力显微镜（AFM）纳米压痕测量证实了在1分钟循环间隔下，黑暗和光照状态之间刚性变化的完全可逆性。水凝胶在12小时的循环测试中保持一致的、可逆的行为，且周期内信号漂移可忽略不计。

研究发现，人间充质干细胞（hMSCs）在经历快速循环刚性变化（在2.2 kPa和1.6 kPa之间转换，1分钟开/关）的软基质上，迁移速度比静态软基质提高了36倍以上，甚至比在静态刚性基质（杨氏模量~13.0 kPa）上的典型间充质迁移快2.5倍。这种迁移速度的显著提升与迁移频率密切相关，更高的频率导致更大的细胞运动。值得注意的是，细胞迁移在快速循环基质刚性变化停止后减慢。

与传统的间充质迁移不同，在动态软基质上迁移的细胞表现出周期性的形态变化，涉及初始伸长阶段，随后快速回缩，细胞沿其长轴收缩，导致纵横比急剧下降并恢复到圆形。随后，这个伸长和回缩的循环重复进行，导致随机迁移。方向自相关分析表明，细胞极化并不驱动这一过程，代表了一种在运动过程中保持对称的迁移模式。对非肌肉肌球蛋白IIb（non-muscle Myosin IIb）的定位模式研究进一步证实了这一点：在静态刚性基质上，Myosin IIb主要位于细胞后部，而在动态软基质上，这种极化定位模式缺失。与高尔基体的共染色进一步显示，hMSCs在动态软基质上表现出广泛的核周分布，而在静态刚性基质上则显示出相对于细胞核在一端的极化分布。这些发现表明，与通常表现出明显突出前端和收缩后部的间充质迁移细胞相比，在动态软基质上迁移的细胞缺乏极性，表明细胞伸长是各向同性的，在伸长阶段均匀发生在两侧，而在快速回缩阶段发生的脱离在任一侧都是随机的。

为了探究动态软基质上快速细胞迁移的潜在细胞机制，研究人员调查了肌动蛋白（actin）聚合和黏附动力学的作用。使用F-肌动蛋白染色的评估显示，在动态软基质上，整个细胞的F-肌动蛋白强度显著增加，但在细胞边缘没有明显的局部富集，这与静态刚性基质上F-肌动蛋白在前缘的局部富集形成鲜明对比。当使用Rac1抑制剂NSC23766（-Rac）抑制肌动蛋白聚合时，细胞迁移显著减慢。当使用latrunculin A（+Lat. A）抑制肌动蛋白聚合时，观察到迁移停止， reinforcing了增强的肌动蛋白动力学对于在动态软基质上迁移的重要性。

除了肌动蛋白动力学，研究发现细胞黏附在动态软基质上得到加强，免疫荧光染色中Paxillin积累增加和整合素招募升高证明了这一点。黏着斑的大小在动态基质上显著大于静态软基质，表明在由基质刚性循环变化诱导的迁移过程中细胞黏附增强。通常，黏附斑的扩大和板状伪足的形成是稳定细胞黏附的标志。然而，细胞伸长后观察到的快速回缩表明，这些加强的黏着斑在动态条件下更容易破裂。确实，在动态软基质上的细胞在24小时内表现出比静态基质上更高的脱离率。

为了解析这个明显的矛盾并确认扩大的黏着斑在促进动态软基质上迁移的作用，研究人员通过向培养基中加入β1-整合素封闭抗体（-β1）来改变黏着斑大小。这种处理阻止了未结合的整合素形成新的整合素-ECM键，从而缩短了整合素-ECM相互作用的寿命。结果显示，β1-整合素封闭显著减慢了细胞在动态软基质上的迁移，表明形成扩大的黏着斑对于加速细胞迁移至关重要。

为了进一步研究动态刚性变化如何影响肌动蛋白动力学，研究人员实施活细胞成像来量化逆行流模式。通过结合12小时动态机械条件下多时间点速度测量的完整形态周期系统分析，观察到不同的流动特性。定量比较表明，动态基质（在2.2 kPa和1.6 kPa之间转换，1分钟开/关）与所有刚性水平的静态对照相比，表现出显著更快的肌动蛋白逆行流速度。这些直接测量证实了动态刚性变化增强了肌动蛋白活性。

为了进一步评估动态刚性变化对黏着斑动力学的影响，研究人员使用Talin-GFP进行了活细胞荧光恢复 after photobleaching（FRAP）实验，以直接比较动态和静态基质之间的黏附周转。定量时间分辨分析表明，与所有刚性水平（软：2.2或1.6 kPa；刚性：13.0 kPa）的静态对照相比，在动态调制的刚性环境中Talin荧光恢复显著更快，证实了通过加速组装-拆卸动力学增强了黏着斑重塑。

研究人员假设迁移速率不仅仅依赖于肌动蛋白网络活动或黏着斑 independently，而是依赖于它们的相互作用。先前研究表明，快速刚性变化由于去磷酸化速率慢于循环变化的频率，导致机械信号蛋白（如磷酸化FAK，pFAK）的积累。这种积累增强了肌动蛋白聚合，并增加了肌球蛋白IIa的磷酸化水平，导致细胞产生更高的内源性力。因此，增加的牵引力促进了整合素在黏着斑的接合，导致板状伪足的形成。

然而，在由增强的肌动蛋白活性产生的内源性力上升和由黏着斑生长产生的黏附强度相应增加之间存在时间滞后。这种滞后造成了一种不平衡，即内部力不能完全被外部黏附强度抵消。一旦这种不平衡达到临界阈值，就会在黏着斑的最弱点发生崩溃， initiating在经历快速循环刚性变化的基质上迁移期间观察到的‘回缩’过程。

为了验证这一假设，研究人员比较了内部细胞牵引力与细胞和水凝胶基质之间的外部黏附力。使用牵引力显微镜直接测量了黏附力。由于直接测量来自肌动蛋白网络活动的内源性牵引力具有挑战性，研究人员使用细胞内磷酸化肌球蛋白IIa（pMyosin IIa）水平作为内部牵引力的指标。这些测量在动态软基质（PYP水凝胶，快速循环刚性变化，1分钟开/关）和作为对照的静态刚性基质（PYP水凝胶，杨氏模量~13.0 kPa）上进行。

结果显示，动态软基质上的细胞黏附力与静态刚性基质上的细胞黏附力相当。与形态对称性的先前观察一致，静态刚性基质上的细胞黏附力表现出经典间充质迁移的特征性前后不对称性，而在具有快速循环刚性变化的动态基质上则表现出增加的对成性，进一步强调了在这种机械环境中的非极性迁移行为。然而，动态软基质上的细胞内pMyosin IIa水平显著更高。值得注意的是，空间分析表明，在细胞质区和F-肌动蛋白富集区，pMyosin IIa水平显著升高，且pMyosin IIa和F-肌动蛋白之间的共定位增强，证实了细胞内在收缩力的加强。蛋白质印迹分析和免疫荧光进一步证明，除了pMyosin IIa，其他信号蛋白（如pFAK和pMLC）的磷酸化水平在动态软基质上也升高。假设在静态刚性基质（杨氏模量~13.0 kPa）上内部力与细胞-ECM黏附平衡，这些结果表明，在快速动态软基质（在2.2 kPa和1.6 kPa之间转换，1分钟开/关）上，由pMyosin IIa产生的细胞内力显著超过细胞外黏附力。

为了进一步测试内部和外部力之间的不平衡是否驱动快速细胞迁移，研究人员进行了额外的操纵内力和外力的对照实验。他们用过表达Talin（OE Talin）的质粒转染细胞以增强细胞黏附并调节迁移。结果显示，在动态软基质上过表达Talin的细胞转变为间充质迁移模式，导致迁移速度显著下降，迁移方向从随机运动转变为更持续的定向。Talin过表达加强了应力纤维和整合素之间的连接，稳定了分子离合器，并加强了细胞-基质黏附。尽管内源性力增强，但它们不足以打破细胞-基质连接，迫使细胞依赖黏着斑的化学周转进行迁移，类似于在静态刚性基质上观察到的间充质迁移。在动态机械条件下，与未过表达的对照相比，Talin过表达促进了黏着斑组装，通过加强的黏附介导的力传递有效地解决了细胞内/细胞外力不平衡。这种机械稳态的恢复将非过表达细胞中观察到的动态基质诱导的快速迁移模式转换为传统的间充质迁移模式，与黏附稳定的力平衡范式一致。

相反，当通过使用非光毒性blebbistatin衍生物抑制肌动蛋白IIa磷酸化（-pMyosin）来减少内源性细胞力时，细胞也无法在动态软基质上快速迁移。在动态机械条件下，抑制肌动蛋白IIa磷酸化减弱了细胞内收缩性，与未抑制的对照相比，有效地解决了细胞内/细胞外力不平衡，并抑制了在磷酸化 competent细胞中增加迁移速度所必需的循环细胞骨架重塑。这种向低张力稳态的转变损害了持续牵引力生成所需的机械化学反馈回路，最终导致在动态基质条件下迁移完全停止。这证实了积累足够的、超过黏附强度的细胞内力对于在动态软基质上快速细胞迁移至关重要。

为了定量理解在动态软基质上的快速细胞迁移，研究人员提出了一个精细的物理模型。该模型整合了机械感应与随后的机械传导通路，并结合了Shenoy及其同事提出的细胞铺展模块，使能够预测细胞形态和迁移的动态变化。在该模型中，肌球蛋白马达将肌动蛋白丝拉向细胞中心，产生逆行流。分子离合器将F-肌动蛋白连接到基质，并可以随机脱离或接合，它们的解离或关联速率分别由r_off和r_on定义。当接合时，这些离合器阻碍逆行流，允许前缘的聚合推进细胞膜，从而促进细胞铺展和伸长。离合器被建模为具有特定刚度k_c的弹簧，而RGD包被的水凝胶基质被简化为具有其自身刚度k_ECM的另一个弹簧。研究人员通过改变k_ECM来模拟动态刚性变化。

作为初始步骤，研究人员验证了模拟是否复制了关键的实验结果。他们模拟了不同循环频率的刚性变化对细胞迁移速度和均方位移（MSD）的影响。模拟预测，更快的循环刚性变化会增加迁移距离和MSD，平均迁移距离和MSD与时间呈线性关系，与实验结果一致。这种在群体水平上出现的线性可以归因于底层单细胞动力学。‘回缩’事件的时间，由细胞内收缩力（pMyosin IIa）超过细胞外黏附力触发，在单个细胞之间差异显著。这种时间异质性根本上是由整合素-ECM结合动力学的随机性驱动的。因此，这些异步回缩事件的分散平均掉了单细胞轨迹的不连续性，导致在整体水平上平均迁移距离随时间明显线性增加。此外，模拟准确地反映了快速循环刚性变化对黏着斑大小的实验影响。模拟还表明，当通过Rac1抑制剂NSC23766（-Rac）或latrunculin A（+Lat. A）抑制肌动蛋白网络活动，或当抑制肌动蛋白IIa磷酸化或整合素活性时，迁移速度降低。

此外，模拟预测细胞-基质键寿命随着更快的循环刚性变化而减少，因为更高的力加载速率缩短了键在破裂前的寿命。这一预测通过FRAP分析得到了机械证实，该分析表明与所有测试刚性水平（杨氏模量~2.2, 1.6和13.0 kPa）的静态基质条件相比，动态刚性调制下黏附周转动力学显著加速。

这些模拟提供了关于基质刚性快速变化如何影响细胞迁移的分子机制的见解。随着基质刚性降低，分子离合器的组件拆卸，将pFAK释放到细胞质中。然而，pFAK在5分钟内不会立即去磷酸化。当基质再次刚性化时，分子离合器重新组装，从细胞质中捕获pFAK并在黏着斑中产生新磷酸化的FAK（FAK在黏着斑中的半衰期约为10秒，然后被磷酸化为pFAK），导致pFAK积累。随着基质刚性循环变化的延长，这些快速机械刺激周期性地积累信号蛋白，进一步放大机械传导通路（例如，pFAK/Src-RhoA/ROCK-pMyosin IIa），增强pMyosin IIa产生的细胞内力、肌动蛋白聚合和细胞黏附。

关键的是，动态条件下机械信号蛋白的积累通过两种竞争机制驱动细胞内力放大：（1）力增强的肌动球蛋白收缩性通过机械招募斑块成分促进FA组装。（2）新组装的分子离合器内的预激活机械信号蛋白（例如，pMyosin IIa）产生内在力。这种预激活使得FA容易力超载，而不是将力分布在离合器上。

实验证据（图4c, d和S20）证明，在细胞质区和F-肌动蛋白富集区，pMyosin IIa水平显著增加，且pMyosin IIa和F-肌动蛋白之间的共定位增强。这些发现证实了新组装的分子离合器含有升高水平的预激活机械信号蛋白，如pMyosin IIa，这直接导致了FA的不稳定性和寿命减少。

像pMyosin IIa这样的机械信号蛋白的持续积累导致细胞内牵引力持续超过与ECM的黏附力，这加速了肌动蛋白逆行流。这种肌动蛋白聚合的加速促进了持续的细胞伸长，增加了细胞骨架阻力，并最终放大了黏着斑内分子离合器施加的力。当这些力积累到临界水平时，细胞一侧的黏着斑崩溃，推动细胞向相反方向回缩。在快速循环刚性变化下，细胞在随机方向上重新伸展，重复这一过程，导致随机迁移模式。相反，当循环刺激停止时，pMyosin IIa积累停止，细胞内牵引力不再超过黏附力。力的减少破坏了肌动蛋白逆行流和细胞骨架阻力，抑制了进一步的肌动蛋白聚合和细胞伸长，从而减慢了细胞迁移。因此，由基质刚性快速循环变化驱动的机械信号蛋白的动态积累，对于在动态变化基质上促进快速细胞迁移至关重要。

在确认定量模型准确反映了快速循环基质刚性变化对细胞迁移的影响后，研究人员试图通过实验验证模型关于信号蛋白积累及其对细胞形态动力学、伸长持续时间和迁移速度影响的预测。具体来说，他们通过将软化幅度从刚性状态的28%和40%调制来控制信号蛋白积累的速率。更大的软化/硬化幅度导致更多分子离合器的拆卸，释放更多pFAK到细胞质中，使其在再硬化时可用于重新招募，导致信号蛋白积累速率的净增加，正如先前工作所示。模型预测，增加软化幅度将由于更快的肌动蛋白聚合而加速细胞伸长速率。然而，这种更快的伸长速率也导致细胞骨架阻力力的更快增加。因此，更快的细胞骨架阻力建立和每次软化事件期间更多分子离合器崩溃的组合导致黏着斑的更快速崩溃和缩短的伸长持续时间。虽然减少的伸长持续时间导致更小的最大细胞伸长，但更快的伸长速率有助于整体迁移速度的增加。

尽管迁移速度更快，但更短的伸长持续时间（反映了更高的回缩频率） combined with随机的迁移方向，导致细胞迁移的均方位移（MSD）减少。这个明显的悖论可以通过区分标量速度（源自总路径长度）和基于矢量的MSD来解决。40%幅度下更快的伸长速率增加了单位时间行进的总路径长度，从而导致更高的计算迁移速度。相比之下，MSD是一个矢量依赖的量，测量净位移。该条件下缩短的伸长持续时间（反映了更高的回缩频率）减少了每个迁移周期的有效“步长”。此外，迁移方向的定量分析证实，在两种情况下，细胞在每次回缩事件后随机重新定向。与此一致，对数-对数MSD图的分析产生了对于两种条件 approximately 1的持久性指数（α值）——经典随机迁移的标志。40%幅度条件下更频繁的方向重置来自更快的回缩，导致方向自相关函数衰减稍快。总之，这些因素——更短的有效步长 combined with一种虽然基本随机（α≈1）但表现出更快速方向记忆损失的迁移模式——协同导致净位移积累效率较低，因此整体MSD较低。此外，信号蛋白的更快积累增加了通过整合素招募到黏附复合物的黏着斑面积。研究人员通过实验证实了所有这些预测，验证了模型的准确性。值得注意的是，计算模型整合这些速度和步长的竞争效应，并正确预测这个非直观结果的能力，强调了其预测保真度。

本研究的关键技术方法包括：利用光活性黄蛋白（PYP）构建光响应水凝胶实现基质刚性的快速动态调控（1分钟周期）；使用原子力显微镜（AFM）纳米压痕和时间分辨流变分析定量表征水凝胶的机械性能；通过活细胞成像追踪人间充质干细胞（hMSCs）的迁移轨迹和形态动力学；采用免疫荧光染色分析肌动蛋白（F-actin）、黏着斑蛋白（Paxillin）、磷酸化肌球蛋白IIa（pMyosin IIa）等关键分子的分布与表达；应用牵引力显微镜（Traction Force Microscopy）测量细胞-基质间的作用力；借助荧光恢复 after photobleaching（FRAP）技术量化Talin-GFP在黏着斑中的周转动力学；通过分子离合器模型进行计算机模拟，整合机械感应与机械传导通路以预测细胞行为。

Fast cyclic changes in substrate rigidity increase cell migration speed

研究发现，细胞迁移速度与静态条件下的基质刚性相关。细胞在较高刚性上表现出增加的迁移速度，或对刚性表现出双相反应。值得注意的是，在杨氏模量低于4 kPa的软基质上发生缓慢迁移。实验验证了hMSCs在杨氏模量约1.6 kPa的软基质上迁移最小，但在杨氏模量约13.0 kPa的刚性基质上有效迁移。然而，这些观察并不能完全解释细胞在器官（如肺、肝和乳腺）天然柔软和动态环境中的迁移行为。鉴于这些生物环境的动态特性，研究人员提出动态机械条件可能类似地促进这些软组织中的细胞迁移。为了验证这一假设，他们探索了动态改变机械特性对细胞迁移行为的影响。

研究人员利用具有动态和可逆切换刚性的光响应水凝胶，在具有快速循环刚性变化的基质上进行细胞迁移研究。光活性黄蛋白（PYP）在光照下的快速可逆构象变化使水凝胶能够在数小时内在软态和刚性态之间快速切换。时间分辨流变分析和AFM纳米压痕测量证实了在1分钟循环间隔下，黑暗和光照状态之间刚性变化的完全可逆性。水凝胶在12小时的循环测试中保持一致的、可逆的行为，且周期内信号漂移可忽略不计。在整个流变测量中，损耗模量（G"）约为存储模量（G'）的六分之一。这种低损耗角正切（tanδ << 1）表明主要是弹性响应，表明在该系统中时间依赖性粘弹性效应最小。AFM纳米压痕中接近完全重叠的接近和回缩曲线表明在动态刚度转变期间粘弹性贡献最小。互补流变表征进一步证明PYP水凝胶表现出可忽略的应力松弛；当受到控制的10%应变时，约2 kPa的初始 resulting应力在测量期间几乎保持不变。总之，这些发现确立了光诱导的刚度变化是主要弹性的，没有显著的粘弹性贡献，如应力松弛。重要的是，这些模量变化发生在没有水凝胶显著体积变形的情况下。此外，在水凝胶制备过程中，过量的RGD肽（5mM）被固定在水凝胶表面，确保在整个模量调节过程中配体密度恒定。这有效地将配体呈现的效果与机械线索在调节细胞反应中解耦。这些PYP水凝胶独特的可切换机械特性使研究人员能够研究快速刚性变化对细胞迁移的影响。

研究人员在光响应PYP水凝胶上培养hMSCs。在铺板后24小时平衡期后，他们对水凝胶施加各种循环照明协议以评估循环刚性变化对细胞迁移的影响。照明协议与细胞迁移观察窗口精确重合，光强度在整个实验过程中被严格监控，以保持实验组之间一致的照明条件。为了消除细胞-细胞相互作用的潜在混杂效应，并专门研究迁移过程中的细胞-基质相互作用动力学，在高倍视频记录的同时进行多细胞观察。放大的视频数据集被分析以解析单个细胞运动，而单独的多细胞记录提供了群体水平背景。延长照明对光不敏感聚丙烯酰胺水凝胶（PA凝胶，杨氏模量~2.2 kPa）上的迁移或细胞活力没有影响。研究人员使用在黑暗（杨氏模量~2.2 kPa）和连续光照（杨氏模量~1.6 kPa）下PYP水凝胶上培养的hMSCs作为对照。为了研究动态条件的影响，他们将循环照明从1分钟变化到30分钟。令人惊讶的是，迁移与切换频率强烈相关，更高频率导致刚性切换延长后更大的细胞运动。峰值迁移发生在1分钟循环（1分开/关）下，其次是5分钟循环（5分开/关）。频率慢于10分钟（10分开/关）时没有观察到 noticeable变化。在1分钟循环（在2.2 kPa和1.6 kPa之间转换）下，迁移比静态软基质增加了36倍以上，比静态刚性基质（杨氏模量~13.0 kPa）上的典型间充质迁移快2.5倍以上。此外，细胞迁移在快速循环基质刚性变化停止后减慢。这一发现挑战了细胞在软基质上难以迁移的传统观念，并强调需要进一步研究快速循环刚性变化的影响。为方便起见，研究人员将经历在2.2 kPa和1.6 kPa之间以1分钟开/关频率循环刚性变化的水凝胶称为“动态软基质”。

Characterization of morphology of cells migrating on dynamic soft substrates

研究人员随后检查了在具有快速循环刚性变化的基质上细胞迁移是否类似于在静态刚性基质上观察到的传统间充质迁移。如补充电影2和3所示，在动态软基质上迁移的细胞形态与在杨氏模量~13.0 kPa的静态基质上的间充质迁移显著不同。

在动态软基质上的细胞表现出周期性的形态变化，细胞面积、圆形度、圆度和瞬时速度经历剧烈的周期性变化。形态变化涉及初始伸长阶段，随后快速回缩，细胞沿其长轴收缩，导致纵横比急剧下降并恢复到圆形。随后，这个伸长和回缩的循环重复进行，导致随机迁移。有趣的是，在动态软基质上的细胞迁移比在静态刚性基质上的间充质迁移更随机。回缩后，重新伸长的方向是随机的，与间充质迁移中方向的持续性形成对比。这一观察通过MSD分析得到进一步证实。在对数-对数图上，动态基质上细胞的MSD随时间线性增加，产生约1的持久性指数（α值）——定义为log(MSD)与log(时间)数据的斜率。α值为1是经典随机游走的标志，提供了非持久性、类似扩散运动的强定量证据。这与在静态刚性基质上的间充质迁移形成对比，后者的MSD形状与Gorelik和Gautreau提出的数据相似。对于这种静态条件，持久性指数（α值）保持在1和2之间，通过对整个曲线进行线性回归获得 approximately 1.2。因此，MSD derived和自相关分析都证实了在动态基质上迁移的非持久性、随机游走样性质，其特点是方向记忆快速损失。

先前研究表明，由对称性破缺产生的细胞极化促进了在静态刚性基质上的定向细胞间充质迁移。相比之下，在动态软基质上细胞迁移的方向自相关分析表明，细胞极化并不驱动这一过程，代表了一种在运动过程中保持对称的迁移模式。这一发现揭示了一个解释复杂细胞迁移行为的非常规框架。

为了更好地理解细胞在动态软基质上的随机迁移方向，与在静态刚性基质上间充质细胞中看到的定向迁移相反，研究人员研究了非肌肉肌球蛋白IIb的定位模式，这对于在静态基质上形成间充质迁移细胞的后部至关重要。如图所示，虽然在静态刚性基质（杨氏模量~13.0 kPa）上Myosin IIb主要位于细胞后部，与先前研究一致，但这种极化定位模式在动态软基质上的细胞中缺失。Myosin IIb与高尔基体的共染色进一步显示，在动态软基质上的hMSCs表现出广泛的高尔基体核周分布，而在静态刚性基质上的hMSCs则显示出相对于细胞核在一端的极化分布。这一观察进一步支持了在动态软基质上hMSCs中极性的缺失。这些发现表明，与通常表现出明显突出前端和收缩后部的间充质迁移细胞相比，在动态软基质上迁移的细胞缺乏极性。这表明细胞伸长是各向同性的，在伸长阶段均匀发生在两侧，而在快速回缩阶段发生的脱离在任一侧都是随机的。

Actin polymerization and adhesion dynamics during cell migration on dynamic soft substrates

为了探究动态软基质上快速细胞迁移的潜在细胞机制，研究人员调查了肌动蛋白聚合和黏附动力学的作用。使用F-肌动蛋白染色的评估显示，在动态软基质上，整个细胞的F-肌动蛋白强度显著增加，但在细胞边缘没有明显的局部富集，这与静态刚性基质上F-肌动蛋白在前缘的局部富集形成鲜明对比。当使用Rac1抑制剂NSC23766（-Rac）抑制肌动蛋白网络时，细胞迁移显著减慢。有趣的是，虽然F-肌动蛋白通常位于在静态刚性基质上迁移的细胞的前缘，但在动态软基质上，F-肌动蛋白强度在细胞周边更均匀分布，没有明显的极化，进一步强调了非极性性质。为了进一步研究肌动蛋白网络的作用，研究人员使用Rac1抑制剂NSC23766（-Rac）来抑制肌动蛋白聚合。这导致在动态软基质上的细胞迁移显著减少，MSD随时间线性增加，α值约为1，以及方向自相关快速衰减到零，与随机迁移条件一致。当使用latrunculin A（+Lat