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環境地形對細胞運動的影響─利用不對稱奈米結構操縱細胞移動方向

細胞是如何感知外在環境的訊號,而朝著某個特定的目標前進或者是遠離,對科學家來說,已經是一個存在相當久的謎團。早在一個世紀前就已經開始研究化學物質如何趨使細胞進行指向性的運動,但是直到最近十年因為科技的進展,才慢慢揭開了其他感知與運動機制的神秘面紗。事實上,細胞的指向性移動與人類疾病息息相關。例如,癌細胞從原發位往身體的其他部位轉移導致癌症的惡化、免疫細胞異常聚集在關節或其他身體部位導致自體免疫疾病。反過來說,如果能找到駕馭細胞指向性移動的關鍵,未來就有機會發展出全新的治療策略,來阻止癌細胞擴散、妨礙免疫細胞的異常聚集、甚至讓神經細胞可以順利得移動到受損的位置進行再生 [1]。

歸因於奈米材料科技的發展,以及光學顯微影像技術的進步,近年來物理性的環境刺激對指向性細胞移動的研究大有進展。2014 年美國馬里蘭大學的 John Fourkas 以及 Wolfgang Losert 教授的團隊合作發表了一篇文章,觀測到盤基網柄菌(Dictyostelium discoideum)(註1)在具有山脊狀突起的奈米表面結構(nanotopography)上移動時(圖一),細胞內的肌動蛋白聚合波(actin polymerization waves) 發生了相位變化,並操縱了細胞骨架的動態,使細胞沿著與山脊平行的方向前進 [2],有趣的是,盤基網柄菌細胞缺乏整合蛋白(integrin),代表它們無法形成點狀黏著(focal adhesion),來依附表面進行移動,代表著地形表面結構是導致細胞運動的主因。然而,過去研究所使用的對稱奈米構造只能提供細胞雙向運動的訊號,但在自然界中,不對稱的構造才是常見的,因此該團隊在 2015 年,提出了不對稱的奈米表面構造所誘發的肌動蛋白聚合波可以讓細胞往單一方向移動的假說 [3]。

圖一、在此示意圖中,鋸齒之間以 2 微米為間隔,每個鋸齒的大小是, 8 微米長、2.4 微米高、0.63 微米寬

延伸閱讀:奈米科技如何幫助科學家更進一步了解細胞點狀黏著的現象?《整合蛋白跨越奈米鴻溝》

為了定量單一方向的偏差,研究團隊設計出了如圖一所示的不對稱奈米鋸齒表面,鋸齒之間以 2 微米為間隔,鋸齒的大小有兩種,一種是 8 微米長、2.4 微米高、0.63 微米寬(以下稱為 8 微米鋸齒);另一種是 2 微米長、1 微米高、0.63 微米寬(以下稱為 2 微米鋸齒)。他們分析了細胞在兩種規格的奈米鋸齒表面上移動的速率以及細胞中心與齒脊偏離的程度,結果發現在 8 微米鋸齒上移動較快的細胞是沿著齒脊往上爬的,且延伸最長的細胞也是沿著齒脊向上的方向運動;細胞在 2 微米鋸齒上的移動與 8 微米相似,只是偏好的方向是沿著齒脊往下爬(圖二)。兩種奈米鋸齒的尺寸導致了不同的細胞運動表現,也顯示了細胞的微觸趨性(microthigmotaxis)受到奈米表面構造的細節所影響。

圖二、8 微米與 2 微米鋸齒的奈米表面構造對細胞運動速度以及其中心位置與齒脊之間偏移的程度。(A) 與 (F) 顯示了運動的方位。(B) 與 (G) 則是與運動速度加權過後,細胞移動方向的機率分布,實線為三個獨立實驗的平均,陰影處代表標準誤差(Standard Error, SE)。(C) 與 (H) 為細胞在鋸齒表面上移動的卡通示意圖。(D) 與 (I) 為以不同運動速度區間為組別,對上往各方向移動的分布機率。(E) 與 (J) 為以中心與齒脊偏離的程度為組別,對上往各方向移動的分布機率。

為了了解鋸齒構造如何影響細胞內的動態,研究團隊誘發細胞過度表現與肌動蛋白聚合有關的蛋白,並標定綠色或者是紅色的螢光蛋白,來觀測肌動纖維(actin filaments, F-actin)的分布(圖三、A-C)。結果發現細胞在 8 微米的鋸齒上,其肌動纖維形成如同條紋狀的線狀構造,並與齒脊平行;在延時攝影的影片(0:11-0:45 處)中也可清楚得看到被螢光綠色標記的條紋狀肌動纖維,隨著肌動蛋白聚合波,向運動的方向伸出細胞突出(protrusions)。

圖三、肌動蛋白(actin)在 8 微米的鋸齒奈米表面上的形貌與移動狀況。紅色螢光蛋白的染色標的為肌動纖維(actin filaments, F-actin)。

嗜中性白血球與盤基網柄菌一樣,都是靠肌動蛋白的聚合來形成細胞突出,並依靠肌動球蛋白(acto-myosin)來達到收縮運動的目的。然而盤基網柄菌是伸出微浮在接觸表面之上的偽足(pseudopods)來移動,嗜中性白血球則是伸出緊貼在接觸表面的板狀偽足(lamellipods)來移動。嗜中性白血球的肌動蛋白聚合波形與盤基網柄菌的結果相似,在 8 微米的鋸齒上也偏好沿著齒脊攀爬而上,不過平均移動的速度(大約 6 μm/min)比盤基網柄菌(30 μm/min)慢了許多。

總結來說,這篇研究展示了區域性的不對稱奈米結構可以影響細胞的單一方向運動,後續在 2019 年,該研究團隊也將這項發現用在探討良性與惡性的乳癌細胞在奈米表面構造上移動的特性 [4];同一年,美國史丹佛大學的研究團隊發表了細胞感知奈米表面構造的方法,是透過細胞膜的曲率(membrane curvature)來激發肌動蛋白重組的訊號 [5]。關於環境地形對細胞指向性運動的研究還有許多懸而未解的問題,例如在 2D 和 3D 的地形環境中,細胞是否會有不同的運動表現?而真正的生物體內並非如實驗一樣可以操控單一變因,當多重因子同時存在環境之中,細胞是如何判斷優先的?Dia et al. 使用了果蠅卵巢中的邊緣細胞來研究細胞趨向物理還是化學刺激 [6],但是類似的研究仍然十分稀少,顯示依然有相當多值得深入研究的課題。

註1. 盤基網柄菌(Dictyostelium discoideum)是阿米巴原蟲家族的成員,具備偽足,所以是可移動的單細胞真核生物,它也是研究阿米巴原蟲運動的典型模式生物。盤基網柄菌最特別的是除了有做為單細胞時的生活史,還能跟左右鄰居聚合在一起,形成如史萊姆一樣的黏狀構造進行移動(因此還有 slime mold 的別名),另外也會聚合成如同香菇一樣的子實體,在頂端形成孢子後進行無性繁殖,這種會與別的細胞聚合的特性,也讓它擁有了「社會性阿米巴原蟲」的別稱 [7]。

 

參考文獻:

[1]  S. SenGupta, C. A. Parent, and J. E. Bear, “The principles of directed cell migration,” Nat Rev Mol Cell Biol, vol. 22, no. 8, pp. 529–547, Aug. 2021, doi: 10.1038/s41580-021-00366-6.

[2]  M. K. Driscoll, X. Sun, C. Guven, J. T. Fourkas, and W. Losert, “Cellular Contact Guidance through Dynamic Sensing of Nanotopography,” ACS Nano, vol. 8, no. 4, pp. 3546–3555, Apr. 2014, doi: 10.1021/nn406637c.

[3]  X. Sun et al., “Asymmetric nanotopography biases cytoskeletal dynamics and promotes unidirectional cell guidance,” Proc Natl Acad Sci USA, vol. 112, no. 41, pp. 12557–12562, Oct. 2015, doi: 10.1073/pnas.1502970112.

[4]  S. Chen, M. J. Hourwitz, L. Campanello, J. T. Fourkas, W. Losert, and C. A. Parent, “Actin Cytoskeleton and Focal Adhesions Regulate the Biased Migration of Breast Cancer Cells on Nanoscale Asymmetric Sawteeth,” ACS Nano, vol. 13, no. 2, pp. 1454–1468, Feb. 2019, doi: 10.1021/acsnano.8b07140.

[5]  H. Y. Lou et al., “Membrane curvature underlies actin reorganization in response to nanoscale surface topography,” Proc Natl Acad Sci U S A, vol. 116, no. 46, pp. 23143–23151, Nov. 2019, doi: 10.1073/pnas.1910166116.

[6]  W. Dai et al., “Tissue topography steers migrating Drosophila border cells,” Science, vol. 370, no. 6519, pp. 987–990, Nov. 2020, doi: 10.1126/science.aaz4741.

[7]  S. Bozzaro, “The Model Organism Dictyostelium discoideum,” in Dictyostelium discoideum Protocols, L. Eichinger and F. Rivero, Eds. Totowa, NJ: Humana Press, 2013, pp. 17–37. doi: 10.1007/978-1-62703-302-2_2.

撰文|黃玟瑜
審稿|蔡京庭

 

About the author

黃玟瑜

黃玟瑜

畢業於陽明大學醫學生物技術暨檢驗學系,畢業後在醫療器材產業界工作三年,對最終能應用到市場或是臨床的知識產生興趣,因此申請了以 Translation medicine 為核心的 Erasmus Master Program - International Master in Innovative Medicine,前後分別在瑞典 Uppsala University 以及荷蘭 Groningen University 就讀,期待能融合基礎研究轉譯到臨床研究,再應用到市場的思維。很開心能加入 The Investigator Taiwan ,跟許多厲害的人一起交流更多科學或是產業的想法。

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