细胞链多模式集体运动的生物物理模型揭示迁移机制新范式

研究人员针对集体细胞迁移模式分类不完整的问题，通过建立二维生物物理模型，揭示了Dictyostelium discoideum（Dd）和Madin-Darby犬肾（MDCK）细胞链的两种迁移模式：个体贡献（IC）模式和超细胞（S）模式。研究发现细胞-基质黏附强度和细胞力学特性是决定迁移模式的关键因素，为理解发育和癌症转移等过程中的集体迁移机制提供了新框架。

　　

在生命科学领域，集体细胞迁移如同微观世界中的"团体舞"，对胚胎发育和癌症转移等过程至关重要。然而，尽管单个细胞的运动机制已被广泛研究，细胞群体的协同运动模式仍像未解开的绳结——尤其是当不同类型的细胞展现出截然不同的"舞步"时。以社会性阿米巴Dictyostelium discoideum（Dd）为例，它们在饥饿时会形成首尾相连的细胞链进行迁移，而上皮细胞Madin-Darby犬肾（MDCK）则表现出完全不同的集体运动特性。这种差异背后隐藏着怎样的物理规律？这正是Ying Zhang等研究者试图解答的核心问题。

为揭开这一谜题，研究人员构建了创新的二维生物物理模型。他们发现Dd细胞对倾向于形成两个独立牵引力偶极的个体贡献（IC）模式，而MDCK细胞对则主要表现出单一偶极的超细胞（S）模式。就像拔河比赛中的两队选手，当细胞间黏附力增强时，Dd细胞链会神奇地从"各自为政"转向"齐心协力"的运动状态。更令人惊讶的是，细胞-基质黏附强度就像调节集体舞节奏的指挥棒——强黏附促进IC模式，而弱黏附则诱导S模式。这些发现发表在《npj Systems Biology and Applications》上，为理解不同细胞类型的集体迁移策略提供了统一框架。

研究团队主要采用四种关键技术：1）基于浸入边界法的二维力学模型，模拟细胞边界动力学；2）莫尔斯势能函数描述细胞间黏附力，整合接触抑制运动（CIL）和接触跟随运动（CFL）效应；3）力敏感型"捕获-滑移"（catch-slip）黏附模型，再现细胞-基质相互作用；4）延时启动算法，解决长细胞链的力传递问题。实验数据部分源自先前发表的Dd细胞迁移研究。

【模型预测细胞对存在两种迁移模式】
通过校准参数模拟Dd细胞对，模型成功再现了实验中观察到的两种模式：95%时间为IC模式（双偶极），5%为S模式（单偶极）。当引导细胞强力拖拽跟随细胞时，会发生IC向S模式的转换，这与实验观察到的"黏附位点循环利用"现象高度一致。

【细胞-基质黏附强度调控迁移模式】
增强黏附键形成速率（k_on）或断裂阈值负荷（F_crit）可使IC模式占比从30%升至100%。在刚性基质上，Dd细胞对确实表现出更强的IC模式倾向，这与体外实验结果相互印证。

【细胞膜力学特性影响模式选择】
在弱黏附条件下（F_crit=0.76F_crit⁰），刚性细胞对偏好IC模式，而柔软细胞对倾向S模式。这表明细胞刚度通过影响黏附键稳定性间接调控迁移模式。

【推-拉机制决定模式分布】
当跟随细胞作为强力"推动者"（ΔQ_LT<0）时IC模式占优，而引导细胞作为"牵引者"时则易出现S模式。这种力学分工在Dd和MDCK细胞对中呈现镜像关系：前者S模式为前驱型，后者则为后驱型。

【长细胞链的迁移特性】
扩展至4细胞链时，Dd细胞仍以IC模式为主，但会出现三偶极的中间状态。通过引入10秒延时的伪足启动机制，成功解决了长链力传递的难题。

讨论部分强调，该研究首次通过统一模型解释了看似矛盾的实验现象：Dd细胞通过快速伪足延伸实现高效迁移，而MDCK细胞则依赖稳定的整合素（integrin）介导黏附。特别值得注意的是，细胞前端lamellipodium（片状伪足）的几何限制会显著影响集体运动模式，这为理解癌症转移中上皮-间质转化（EMT）带来的迁移策略转变提供了新视角。研究者指出，未来工作应整合细胞极性调控网络，以更全面地揭示集体迁移的分子-力学耦合机制。这项研究就像为细胞集体运动绘制了一份"舞蹈编排手册"，为定向调控细胞迁移提供了理论基石。