【细胞生物学笔记】细胞迁移

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一、细胞迁移概述

细胞迁移是指细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的梯度后而产生的移动，是正常细胞的基本功能之一，在多个生理过程中发挥重要作用。

细胞迁移在胚胎发育过程中至关重要。例如，原始生殖细胞的迁移现象，在不同生物中，原始生殖细胞以不同的方式迁移到生殖原基。如在小鼠中，原始生殖细胞首先出现在胚外中胚层，然后出现在尿囊区，再沿着尿囊区和肠道向生殖脊移动。细胞迁移还在血管生成、伤口愈合、免疫反应、炎症反应等过程中扮演关键角色。在伤口修复中，细胞迁移使得伤口边缘的细胞逐渐进入空白区域，促进伤口愈合。在免疫反应中，免疫细胞通过迁移到达感染部位，发挥免疫作用。

此外，细胞迁移与肿瘤转移密切相关。由于转移性疾病是导致癌症死亡的关键因素，了解细胞迁移机制对于癌症研究至关重要。肿瘤细胞的侵袭性是肿瘤相关信号通路、药物治疗、靶向治疗、致癌 / 抑癌基因等肿瘤学研究的一个重要指标。肿瘤细胞通过突破基底膜，内渗进入血管、淋巴管，实现转移。细胞外基质层或基底膜基质层在侵袭过程中被细胞内的蛋白酶降解。

检测细胞迁移能力最常见的方法是细胞划痕实验和 Transwell 小室检测。细胞划痕实验操作简单、经济实惠，模拟单层细胞在 2D 平面的迁移；Transwell 小室检测成本较高，模拟细胞在 3D 空间的迁移，同时也是检测细胞侵袭能力最常用的手段。

二、细胞迁移的机制

（一）多种方式协同作用

细胞的迁移是一个复杂的过程，多种方式协同作用确保了细胞能够准确地移动到特定位置。有的细胞通过鞭毛或纤毛摆动来实现运动，如精子。而对于大多数细胞来说，细胞变形是一种重要的迁移方式。其中，肌动蛋白（Actin）的聚合状态改变在细胞变形中起着关键作用。Actin 的聚合能使细胞形成突出的角，Actin 在这个角不断加聚，就能不断伸出，随后细胞边缘也发生相应变化，从而带着细胞移动。此外，细胞膜流动也是细胞迁移的重要方式之一。细胞运动时，细胞膜是循环流动的，外面的细胞膜与细胞内的细胞膜库发生交换，导致细胞迁移。同时，细胞移动时还会涉及细胞核的重定位、高尔基体的重定向、微管组织中心的重定向等。这些方式在时空上交替进行，共同推动细胞的迁移。

（二）关键分子的调控

Actin 的聚合状态改变带动细胞变形，而检测促进 Actin 聚合的分子表达可以帮助我们更好地了解细胞迁移机制。例如，Arp2/3 复合物、mDia1、mDia2 等分子可以促进 Actin 的聚合。此外，细胞粘附相关蛋白及信号通路分子的表达也对细胞迁移起着重要的调控作用。整合素蛋白是细胞与细胞连接、细胞与基质连接的相关蛋白之一，其表达水平的变化会影响细胞的粘附能力。Rho GTP 酶作为效应器蛋白，在细胞粘附相关的信号通路中发挥着重要作用。FAK、Src、Paxillin、Crk、PAK、GIT 等信号通路分子也参与了细胞粘附的调控。这些分子的表达水平和活性变化会影响细胞的迁移能力。同时，能破坏粘附复合物的蛋白酶的表达也会影响细胞的迁移。例如，一些蛋白酶可以降解细胞外基质，为细胞迁移提供通道。总之，这些关键分子的调控对于细胞迁移至关重要。

三、细胞迁移的检测方法

（一）细胞划痕实验

细胞划痕实验是一种操作简单且经济实惠的研究细胞迁移的体外试验方法。在实验中，首先在体外培养皿或平板培养的单层贴壁细胞上，用微量枪头或其它硬物在细胞生长的中央区域划线，去除中央部分的细胞，制造出 “划痕”。然后继续培养细胞至实验设定的时间，依据划痕边缘细胞逐渐进入空白区域使 “划痕” 愈合的能力，判断细胞生长迁移能力。

此方法的优点在于操作简便，不需要借助特殊的实验仪器，且实验成本低。然而，它也存在一些缺点。一方面，操作者划痕易出现宽度不均一的情况，这会影响划痕愈合度的评估。由于不同操作者的力度和手法难以完全一致，导致划痕宽度可能存在较大差异，从而使实验结果的准确性受到一定影响。另一方面，划痕会对周围细胞造成机械损伤，影响细胞活性。在划痕过程中，不可避免地会对划痕边缘的细胞产生一定的物理损伤，这可能导致细胞的生理状态发生改变，进而影响其迁移能力的表现。此外，细胞划痕实验不太好排除增殖带来的影响。为了减少细胞增殖对实验结果的影响，实验中通常选择加入无血清或血清浓度低（≤2%）的培养基进行细胞培养。

一般来说，铺板时多选择 6 孔板，因为 6 孔板大小适中，可保证有相当距离的平直划痕，便于观察。而且因为有 5 条定位线，与划痕相交，这样就有 10 个可固定监测点，不作重复，误差也很小。但如果实验需要高通量初筛，也可以用 12 或 24 孔板。同时，实验时应注意细胞生长状况，选择适当的细胞接种浓度，对不同类型细胞要观察细胞贴壁率等，确定实验时细胞种板数量和培养时间，保证培养终止时密度适当。

（二）Transwell 小室检测

Transwell 小室检测成本较高，它是将小室放入孔板中（常见的是 24 孔板），小室中含有密密麻麻的小孔，将细胞悬液加到小室中，小室放在加入完全培养基的 24 孔板内，细胞可通过形变穿过小室中的孔而跑到营养更丰富的小室外部并贴在外侧。通过对小室外部的细胞进行染色计数，就可以判断细胞的迁移与侵袭能力的强弱。

Transwell 小室检测的基本原理是将小室放入培养板中，小室内称为上室，培养板内称为下室，上下层培养液以聚碳酸酯膜相隔，上室内添加上层培养液，下室内添加下层培养液。将细胞种在上室内，由于膜有通透性，下层培养液中的成分可以影响到上室内的细胞，从而可以研究下层培养液中的成分对细胞生长、运动等的影响。

应用不同孔径和经过不同处理的滤膜，可进行共培养、细胞趋化、细胞迁移、细胞侵袭等多方面研究。例如，在共培养体系中，当细胞在滤膜孔径小于 3.0μm 的条件下不会通过，此时将细胞 A 种于上室，细胞 B 种于下室，可研究细胞 B 分泌或代谢产生的物质对细胞 A 的影响。在肿瘤迁移实验中，常用 8.0、12.0µm 膜，上室种肿瘤细胞，下室加入 FBS 或某些特定的趋化因子，肿瘤细胞会向营养成分高的下室迁移，计数进入下室的细胞量可反映肿瘤细胞的迁移能力。在肿瘤侵袭实验中，与肿瘤细胞迁移实验不同的是，需在聚碳酸酯膜上侧铺一层基质胶，用以模仿细胞外基质，上室种肿瘤细胞，若细胞要进入下室，必须先分泌基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）将基质胶分解，才能通过聚碳酸酯膜下室，计数进入下室的细胞量可反映肿瘤细胞的侵袭能力。

四、影响细胞迁移的因素

（一）细胞处理与计数

细胞处理方法和计数的准确性对细胞迁移实验结果有着重要影响。在进行细胞迁移实验前，对细胞的处理包括培养、传代、酶消化等操作，每次处理的时间和方法应保持一致，以保证实验结果的可靠性。例如，若细胞培养时间过长或过短，可能会影响细胞的状态和迁移能力。

细胞计数也是关键环节之一，可以通过显微镜下的视觉观察或使用细胞计数仪来精确计算每个实验组的细胞数。据统计，正确的细胞计数能够帮助进行实验设计和数据分析，一般要求计数的误差控制在一定范围内。如果细胞计数不准确，可能会导致实验结果出现偏差。例如，细胞数量过多可能会使细胞之间相互影响，影响迁移效果；而细胞数量过少则可能无法准确反映细胞的迁移能力。

（二）实验条件与板设计

特定的温度、湿度和氧气含量是细胞迁移实验成功的重要条件，因为这些因素能够模拟体内环境，使细胞在实验中保持正常的生理状态。一般来说，细胞迁移实验需要在特定的温度范围内进行，通常为 37℃左右，湿度和氧气含量也需要根据不同的细胞类型进行调整。

此外，添加的培养基和补充物如生长因子等也应根据实验需要作出相应调整。不同的细胞类型对培养基和生长因子的需求不同，例如某些细胞需要特定的生长因子才能保持良好的迁移能力。

选择合适的试验板对于实验结果的准确性和可重复性至关重要。通常会采用 Transwell（上下室式小孔培养皿）或 Boyden（下室式多孔滤器）等不同类型的试验板，这些试验板各有特点和使用方式。例如，Transwell 小室的孔径大小会影响细胞的迁移能力，一般肿瘤细胞迁移实验常用 8.0、12.0µm 膜。同时，试验板的材质和表面处理也会影响细胞的粘附和迁移。

（三）细胞适应性与技术操作

细胞的适应性是细胞迁移实验中需要特别注意的一个方面。在实验前，应将细胞暴露于与实验条件相似的环境中，以使其能够适应新的生长条件。例如，可以将细胞在实验前进行一段时间的预培养，使其适应特定的温度、湿度和培养基条件。

在实验过程中，还应对细胞进行必要的养护和处理，如更换培养基、消毒实验器具等。严格掌握技术操作也是确保实验结果准确的关键，如细胞划痕、Transwell 小室、Boyden 试验板上下室的分离等技术操作需要仔细掌握，并严格按照实验方法和步骤进行。

为了避免细胞受到污染，应严格执行无菌操作规范，使用经过消毒的实验器具和培养基，并定期检查细胞是否存在菌落或其他污染问题。同时，要控制实验变量，例如细胞种类、细胞密度、实验时间、培养基成分等因素，以保证实验结果的准确性。

进行质量控制也是必不可少的环节，包括对细胞的纯度、活力、稳定性等方面进行检测，并通过细胞培养、传代等操作来保证细胞的稳定性和一致性。为了验证实验结果的可靠性，迁移实验应该进行多次重复，每个实验组应包括多个独立的生物学重复，并且在不同时间和不同人员之间进行独立重复实验，以避免操作误差和其他不确定因素对实验结果的影响。

（四）几何形状与生物过程

生物组织几何形状可生成阻力最小路径引导细胞运动。加州大学圣地亚哥和圣巴巴拉两个分校的物理学家和生物学家联合研究团队在《科学》上发表了最新的研究成果，表明生物体内部组织的几何形状可以影响细胞的迁移。在果蝇中，大约有 850 个滤泡细胞围绕着护士细胞和卵母细胞，其中边界细胞在护士细胞之间分离并迁移到卵母细胞，这对发育成最终的卵至关重要。研究团队发现，细胞选择了集中在卵室中心附近的阻力最小的路径。这一发现可以在肿瘤学、神经科学和发育生物学等领域找到应用。

此外，上皮间质转化、整合素扩散动力学等生物过程也影响细胞迁移。上皮间质转化过程中，细胞的形状和粘附能力发生改变，可能影响细胞的迁移能力。整合素扩散动力学则通过影响细胞与细胞外基质的粘附，进而影响细胞的迁移。这些生物过程的研究对于深入理解细胞迁移机制具有重要意义。

五、细胞迁移的研究意义

（一）在胚胎发育中的意义

细胞迁移在胚胎发育过程中起着至关重要的作用。从受精卵开始，细胞不断迁移、分化，形成各种组织和器官。例如，在神经系统的发育中，神经嵴细胞通过迁移形成周围神经系统的多种细胞类型。据研究，约有十万个神经嵴细胞从神经管背侧迁移到身体的不同部位，分化为神经元、神经胶质细胞、色素细胞等。这种精确的细胞迁移过程确保了胚胎各器官的正常形成和功能发育。深入研究细胞迁移在胚胎发育中的机制，可以帮助我们更好地理解先天性疾病的发生原因，为早期诊断和干预提供理论依据。

（二）在伤口愈合中的意义

细胞迁移在伤口愈合过程中扮演关键角色。当皮肤受伤时，凝血因子激活形成血栓止血后，炎症细胞如中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞等会迁移到伤口部位，清除坏死组织。随后，巨噬细胞释放物质促使纤维芽细胞迁移到伤部，产生胶原蛋白，促进血管新生和肉芽组织形成。最后，表皮组织迁移使伤口收缩并愈合。例如，在一项关于伤口愈合的研究中发现，使用电场刺激可以引导细胞迁移，加速伤口愈合。细胞间连接越弱，越容易被电场引导。研究人员通过改变培养液中钙离子的浓度，打破细胞连接后施加电场，使细胞快速移动，最终成功促进了伤口的愈合。深入研究细胞迁移在伤口愈合中的机制，可以为开发新的伤口治疗方法提供思路，例如利用生物电场促进细胞迁移，加速伤口愈合，减少疤痕形成。

（三）在肿瘤转移中的意义

细胞迁移与肿瘤转移密切相关，是导致癌症患者死亡的关键因素之一。肿瘤细胞通过突破基底膜，内渗进入血管、淋巴管实现转移。在这个过程中，细胞外基质被细胞内的蛋白酶降解，肿瘤细胞的侵袭性增强。例如，上皮间质转化（EMT）在肿瘤转移中起着重要作用。癌细胞通过 EMT 失去上皮特征，获得间质特征，获得迁移和侵袭能力。研究发现，基质金属蛋白酶（MMPs）在癌症转移中也发挥关键作用。肿瘤细胞分泌 MMPs 降解细胞外基质，为转移创造途径。此外，乳腺癌肿瘤发展转移新机制的研究表明，基质硬度增加可通过 YAP-Periostin-Integrin 介导的机械应力传导信号促进乳腺癌肿瘤细胞的集体侵袭。深入研究细胞迁移在肿瘤转移中的机制，可以为癌症的诊断和治疗提供新的靶点和策略。例如，开发抑制细胞迁移的药物，阻断肿瘤转移；通过检测肿瘤细胞的迁移能力，评估癌症的进展和治疗效果。

深入研究细胞迁移的机制具有重要的意义。它不仅有助于我们更好地理解生命过程中的基本现象，还为相关疾病的诊断和治疗提供了新的思路和方法。