细胞迁移广泛存在于生命体的各个阶段，是生命体执行多种生理活动必不可少的基础。实验及理论分析表明，单个细胞的迁移需要往复经历伪足伸出、粘附形成、肌球蛋白收缩以及尾部解离等几个阶段。细胞集体迁移时的运动机制与独立迁移时的运动机制类似，但细胞之间相互的力学和化学作用，使细胞在集体迁移的过程中表现出迥异于独立迁移时的运动特征。相比于对单个细胞迁移过程的理解，目前对细胞的集体迁移行为及其背后的发生机制仍知之甚少。

图1 两个细胞在圆形区域内的“太极”运动模式，类似于被彼此潮汐锁定的双星系统(Biophysical Journal, May 17, 2022, 封面)

为了探究多个细胞在圆形区域内自发的运动模式，西安交通大学航天学院徐光魁教授团队通过考虑微管、细胞核等细胞结构，建立了单个细胞、两个细胞和多个细胞在圆形区域内的结构力学模型，并模拟它们的时空演化行为。与实验观察到的现象类似，单个细胞在圆形区域内会自发地从“径向”模式转变为“手性”模式。在该过程中，细胞内部原先沿着径向的微管在涨落的作用下发生倾斜，并对细胞核产生力矩，促使细胞核转动，从而形成手性(图2)。

图2圆形区域内的单个细胞。当细胞核在随机力的作用下发生逆时针转动，细胞形成逆时针手性。

进一步，若将两个细胞约束在圆形区域内，这两个细胞均会在涨落的作用下形成手性，但两个细胞的手性方向并不总是相同的(图3)。模拟结果表明，当两个细胞形成相反方向的手性时，这对细胞保持静止；当两个细胞的手性方向相同时，这对细胞进行与手性方向相反的连续旋转运动。有趣的是，类似于天体物理学中的双星系统，进行连续旋转运动的两个细胞被彼此潮汐锁定，始终都只有一侧面对另外一个细胞以及圆形区域的中心。这一现象表明细胞的连续旋转运动可以分为细胞绕着区域中心的公转以及绕着自身形心的自转(图4)两个部分。

图3 两个细胞在圆形区域内的时空演化。(A)两个细胞在涨落的作用下分别形成顺、逆时针方向的手性后，保持静止；(B)当两个细胞形成顺时针方向的手性时，这对细胞进行逆时针方向的连续旋转运动。

图4 细胞形成顺时针方向的手性后，进行逆时针方向的连续旋转运动时，围绕自身形心的自转。

实验中观察到，随着圆形区域内细胞数量的增加，细胞簇依旧会自发地进行连续旋转运动。当细胞的数量增加到5个以后，细胞簇中会出现中心细胞(central cell)，并由此导致连续旋转运动的持续时间明显减小。模拟结果表明，当圆形区域内细胞数量2< k ≤ 5且不包含中心细胞时，细胞簇的转动情况与k = 2时的转动情况一致；但当k ≥ 5且出现中心细胞后，只有中心细胞形成手性，此时，细胞簇的连续旋转运动源于外层细胞的不对称性，中心细胞相对于外层细胞保持不动(图5)。

此外，在连续旋转运动中，细胞簇的转动速度 会随着细胞与圆形边界的平均接触长度 的伸长而增大。随着与圆形边界接触的细胞数量的增加， 逐渐缩短，细胞簇的转动速度也逐渐减慢。当圆形区域内的细胞数量k = 5时，若细胞簇中出现中心细胞，外层细胞与边界的平均接触长度伸长，因此，中心细胞的出现加速了细胞簇的转动(图5D)。

图5 多个细胞在圆形区域内的连续旋转运动

以上研究成果以“Cell chirality regulates coherent angular motion on small circular substrates”为题作为封面文章在线发表在《Biophysical Journal》(121, 10, P1931-1939, May 17, 2022)上。该论文作者为西安交通大学航天航空学院多尺度力学-医学交叉实验室博士生王必聪和徐光魁教授。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.04.011