连续细胞供给开放系统中迁移细胞弱手性经极性排列放大形成厘米尺度顺时针多臂螺旋

《Nature Communications》：Emergence of chiral multi-armed spirals in an open system of migrating cells under continuous cell supply

　　

从分子组装体到多细胞组织，手性（chirality）将生命系统与活性物质系统组织成引人注目的集体状态。在细胞集体和活性材料中，运动与相互作用中的弱微观手性线索能够系统性地偏置组成单元的协调、流动和空间对称性破缺方式。然而，在元素持续供给与移除的开放系统（open system）中，支配手性有序化的原理仍知之甚少。本研究中，研究人员表明趋化缺陷型盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）突变体（KI细胞）形成厘米尺度、顺时针、多臂螺旋。每条臂是由短程排列相互作用产生并由环绕细胞源的极性有序旋转核心（rotating core）引导的行进带（traveling band）。单细胞迁移中细微的顺时针偏置通过集体有序化被放大为组织尺度手性。为揭示最小要素，研究人员开发了开放手性Vicsek模型（open chiral Vicsek model），并发现内在手性（intrinsic chirality）、极性排列（polar alignment）和连续细胞供给（continuous cell supply）是关键因素。该研究建立了一条通用路径，说明弱微观手性和持续物质通量如何产生宏观手性有序，为多细胞系统中的手性图案化（chiral patterning）提供了新见解。

研究背景与意义：从分子组装体到多细胞组织，手性（chirality）塑造生命系统和活性物质系统的集体状态。活性系统中弱微观手性可系统性地偏置组成单元的运动、相互作用、流动和空间对称性破缺。既往手性活性物质研究多集中于组成单元数守恒的封闭系统，而在形态发生等过程中，组织常为通过增殖或来自局部源的细胞流入而持续交换物质的开放系统（open system）；在此类系统中，弱微观手性与持续物质通量耦合能否产生宏观手性有序尚不清楚。盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）KI细胞为趋化缺陷型突变体，不能聚集但可形成行进带（traveling band）；野生型盘基网柄菌细胞有弱顺时针迁移偏置，而KI细胞中的手性偏置尚未确立。因此，研究人员结合KI细胞实验与最小开放手性Vicsek模型（open chiral Vicsek model），探究开放系统中活性手性物质的行为。研究得出结论：弱单细胞手性、极性排列（polar alignment）和连续细胞供给（continuous cell supply）可产生厘米尺度顺时针多臂螺旋，且由环绕细胞源的极性有序旋转核心（rotating core）组织与维持。该研究建立了弱微观手性在开放系统中被放大为宏观手性有序的通用路径，为多细胞系统手性图案化提供新见解；论文发表在《Nature Communications》。

关键技术方法：研究人员设计约2 mm半径凹坑的非营养琼脂凝胶持续细胞源实验，结合时间-lapse相差与微分干涉相差（DIC，differential-interference-contrast）显微观察；采用粒子图像测速（PIV，particle image velocimetry）分析极性有序参数（φ）；从旋转核心转移细胞至非营养琼脂，分析双细胞碰撞和单细胞/小簇迁移手性；建立开放手性Vicsek模型及手性Kuramoto–Vicsek模型、软核排斥自排列模型，并进行尺度转换与序参量分析。KI-5细胞株获自National BioResource Project for Cellular slime molds（NBRP ID: S00058）；部分实验为3次独立实验。

研究结果：（1）突变型盘基网柄菌细胞中多臂螺旋结构的自组织：通过将饥饿KI细胞置于2 mm半径凹坑形成持续细胞源，实验显示8 h形成密集环、26 h形成厘米尺度顺时针多臂螺旋；速度分析（N=3独立实验）显示行进带径向向外传播并顺时针旋转，平均速度0.363 μm/s；PIV显示旋转核心极性有序（φ=0.94），行进带区φ高而带间多较低；螺旋臂形状符合圆渐开线（involute of a circle），参数a=V/Ω，随时间a下降主要因Ω增加而V近恒定。由此得出KI细胞在连续供给下自组织为极性有序旋转核心和多臂螺旋。（2）排列相互作用促进极性有序：通过稀疏接种KI细胞观察动态簇融合与分裂，并追踪双细胞碰撞（N=37次碰撞，2次独立实验），发现入角α_in通常大于出角α_out，碰撞后距离常约一个细胞直径，表明存在短程排列相互作用；原文认为该相互作用可能驱动KI细胞群体极性图案形成。（3）手性起源：通过从旋转核心取少量细胞转移至非营养琼脂，追踪单细胞和小簇（面积172–1670 μm²，平均1028 μm²，约3.3个细胞），以30 s内迁移方向角变化γ计算角速度ω；3次独立实验的平均角速度分别为?3.23、?2.81、?1.60度/分，95%置信区间（CI，confidence interval）均不含零，显示单细胞和微簇存在内在顺时针手性，且方向与野生型报道一致。（4）开放系统中的手性Vicsek模型：通过构建细胞从局部源连续发射、具内在手性和局部极性排列的最小模型，模拟重现顺时针旋转核心和多臂螺旋；依手性强度ω和供给率κ出现多臂螺旋、同心图案和斑点三相；模拟中螺旋臂亦符合圆渐开线，但a随时间增加与实验相反，引入衰减供给κ(t)后a下降、Ω增加、V近恒定，并重现旋转核心先出现、多臂螺旋后发展的时序；手性Kuramoto–Vicsek模型和软核排斥自排列模型也重现关键图案，说明内在手性、有效相互极性排列和连续细胞供给是稳健关键因素。原文还报道旋转核心内细胞方向与径向的夹角Θ(r)随距离变化，并给出tanΘ～?ω√(|?_rρ/ω|)的经验趋势，指出连续供给产生的径向密度梯度可能参与将单细胞手性转化为旋转核心内的顺时针集体流。

讨论与结论：讨论部分总结指出，既往分别报道了盘基网柄菌弱单细胞手性和KI细胞极性有序行进带，但未解释厘米尺度手性结构如何出现；本研究表明，在具有局部源连续细胞供给的开放系统中，弱微观手性偏置可通过有效极性排列放大为极性有序旋转核心和稳健的顺时针多臂螺旋带。三个独立模型重现关键特征，支持有效相互极性排列、内在手性和连续细胞供给为关键要素，而不依赖具体微观实现；研究关键进展在于报道此前未被认识的宏观手性图案及其物理机制。讨论还强调旋转核心对多臂螺旋维持的必要性：脱离核心的带不显示明显旋转，且与可激发介质不同，具自由端的行进带不会自行发展为螺旋；降低源处加载细胞以抑制核心时，带仍形成但无顺时针组织。行进带速度V在视野和时间上近恒定，图案角速度Ω由V和核心半径决定；核心半径渐缩可能因供给率下降，从而使Ω升高。单细胞手性偏置很小，通常被随机运动掩盖；进入极性有序态后随机性被平均化，偏置显现为集体手性。以平均细胞速度约0.52 μm/s估计，预期旋转半径为毫米尺度，与旋转核心尺寸相符，提示小单细胞手性可放大为厘米尺度集体手性。研究结论部分翻译：本研究表明，趋化缺陷型盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）突变体（KI细胞）形成厘米尺度顺时针多臂螺旋。既往研究报道了盘基网柄菌细胞弱单细胞手性以及KI细胞迁移群体中极性有序的行进带，但仅凭这些观察不能解释厘米尺度手性结构如何出现。研究人员发现，在具有来自局部源的连续细胞供给的开放系统中，弱微观手性偏置可通过有效极性排列被放大为极性有序旋转核心和稳健的顺时针多臂螺旋带。三个独立模型（包括最小开放手性Vicsek模型）重现实验关键特征，并证明有效相互极性排列、内在手性和连续细胞供给是手性多臂螺旋出现的关键要素，而不依赖细胞和多细胞过程的具体微观实现。因此，本研究的关键进展在于报道一种此前未被认识到的宏观手性图案及其出现的物理机制。利用盘基网柄菌，研究人员展示了手性活性物质与连续物质供给之间的丰富相互作用，导致旋转核心和多臂螺旋等大尺度手性结构出现；这种在保留早期多细胞演化祖征的细胞黏菌中观察到的集体手性，可能为动物体轴左右不对称的发育起源提供线索。