细胞工程：免疫细胞趋化运动模式及分子机理

细胞已经进化出不同的策略来迁移和探索它们的环境。例如，精子细胞、微藻和细菌可以通过变形，或者借助一种叫做鞭毛的鞭状附属物游动。相比之下，普遍认为哺乳动物体细胞是通过附着在表面和爬行来迁移的。大致分为间充质迁移和变形虫迁移。“变形虫”迁移，其特征是速度快、肌动球蛋白高度收缩、细胞形状圆形、很少或没有粘连。变形虫迁移在发育生物学和免疫系统功能中扮演重要角色。在体内，细胞必须能够感知其环境中的各种线索，并向这些线索移动或远离这些线索，以便在发育过程中执行形态发生程序，产生免疫反应并修复受损组织。

免疫系统对组织损伤的快速和有针对性的反应依赖于白细胞在组织之间和组织内极其灵活的迁移运动。组织特异性动员取决于白细胞感知来自特定生态位的定向信号并快速响应感染和炎症重塑的环境线索的能力。T 细胞移动得很快，但在遇到抗原时有能力迅速阻止。了解白细胞迁移的调节对于我们在健康和疾病中控制免疫功能的能力至关重要。

之前人们普遍认为，白细胞不附着在二维表面就不能迁移。在2010年的一个研究中指出，与黏着或摩擦爬行的范式相反，人类中性粒细胞确实会游泳。文章中讨论说，推进力可能来自细胞膜踏步(细胞表面的向后运动)或形状变形(沿着细胞体的突出和收缩)，但没有提供任何实验或理论证据来支持这两种假设。最近一项关于白细胞迁移运动的研究，一种间充质巨噬细胞细胞系RAW 264.7，可以通过光遗传激活细胞后方的肌动球蛋白收缩力而人为触发一种变形虫游泳运动。

在这篇文章里，作者不但证明了人类T淋巴细胞是可以游动的，并在细胞和分子尺度上从实验和理论上解读了它的功能。研究中提供了实验和计算证据表明人类白细胞确实可以在无黏附二维表面上迁移，也可以使用一种不依赖细胞形状变化的机制进行游泳。细胞利用跨膜蛋白质“划水”，跨膜蛋白质横跨细胞膜并突出细胞外，膜的“踏车运动”——细胞表面的向后运动——推动白细胞在固体或液体环境中迁移，无论有无黏附。通过结合肌动蛋白驱动的外部“踏车运动”和通过囊泡运输的肌动蛋白结合跨膜蛋白的内部循环，细胞可以实现持续的划水。

作者首先通过干涉显微镜观察评估淋巴细胞在粘附和抗粘附涂层的基底上的运动情况，实验显示在没有粘连的情况下，极化的淋巴细胞可以在二维表面上迁移。甚至发现细胞在粘附表面和非粘附表面上存在相同的运动现象。这些观察表明，白细胞在粘附和非粘附运动模式之间的过渡是快速的，两种模式可能共享相同的机制。

图1. 白细胞能够在没有黏附或摩擦的固体基质上运动

尽管活跃的淋巴细胞在没有粘附的表面附近迁移，但考虑到细胞和基质之间的水动力耦合可能有利于靠近基质的推进。因此，作者进行了细胞的悬浮液实验，以测试在没有水动力耦合到任何固体壁情况下的游泳是否依然存在。通过使用一个连接到高精度压力控制器的微流体通道和高抗压油管连接来减缓压力驱动的流动。此外，使用添加ficoll的培养基减少细胞沉降，使其与细胞的平均密度相匹配。观察结果表明白细胞可以在悬浮液体中主动游动。 

图2.淋巴细胞在自由悬液中游动

验证了白细胞确实可以游动之后，接下来作者开始探究细胞游动的动力来源。肌动蛋白细胞骨架作为推动细胞爬行的分子引擎已被广泛接受。效应T淋巴细胞的特征是强极化状态的肌动球蛋白收缩形成细胞后部(尾足)和肌动蛋白聚合形成的细胞前部(片足)。作者首先分别利用肌动球蛋白和肌动蛋白收缩抑制剂干扰细胞。肌动蛋白聚集性抑制对细胞游泳速度影响更为明显。表明，前方肌动蛋白聚合起主导作用是淋巴细胞游动的主要引擎。

 图3.肌动蛋白更多的是通过聚合作用推动游动而不是收缩作用

正常情况下的细胞膜运动似乎不能产生足够的推进力，但变形虫细胞的细胞膜表现出由内部肌动蛋白皮质逆行流动触发的切向运动。为了证明细胞外膜的运动，作者用icam -1（一种细胞整合素配体）包被的小珠培养游泳细胞。当细胞在行进过程中遇到念珠时，念珠通过跨膜整合素LFA-1附着在细胞前端，并被向后携带。表明切向膜运动在游泳中起着直接作用。

图4.向后踏膜与游泳相关

作者发现膜上附着的微珠的游动速度(νs ~ 5 μm min−1)比膜上附着的微珠的游动速度(>10 μm min−1)要小2倍。这种差异表明细胞膜和周围液体之间的耦合不是完全的和/或膜不是均匀的。细胞质膜的组成和动力学在分子水平上确实是高度异质性的。为了阐明这一问题，作者使用了荧光特异性抗体对抗一种肌动蛋白结合蛋白，即高亲和力的整合素LFA-1，和一种非肌动蛋白结合蛋白，即T淋巴细胞受体的配体，MHC-1。与肌动蛋白一样，肌动蛋白结合蛋白LFA-1形成了持续反向流动的簇，平均速度为25±5 μm min−1。高亲和力整合素与皮质下肌动蛋白的强粘附率与扩散的缺乏和速度与肌动蛋白逆行流动的相似性一致。相比之下，非肌动蛋白结合蛋白MHC-1在FRAP实验中表现出扩散动力学以其特有的扩散系数D = 0.26±0.22μm2 s−1。同样,对油脂层的收紧实验lypophilic分子插入到细胞质膜产生了扩散系数为3.1±1.8μm2 s−1。总之,这些结果证实了质膜的分子动力学是不均匀的。肌动蛋白结合的跨膜蛋白显示弹道向后运动，而脂质和非肌动蛋白结合的跨膜显示扩散。这可以解释了细胞游动速度和肌动蛋白跑步机之间的差异。

图5.肌动蛋白结合蛋白LFA-1在细胞质膜上反向运动，而非肌动蛋白结合蛋白MHC-1在没有净转运的情况下扩散

轴对称物体表面持续的逆行流需要物质来源在前面，而汇在后面，因此这意味着存在一个内部的顺行输运来循环。相反，当分子不是向后平流(而只是扩散)时，内部必须没有向前循环，因为细胞前端的源会产生外部的逆向流动。因此，这里的游泳模型暗示了肌动蛋白结合的内部顺行循环的存在。为了进一步支持模型的相关性和一致性，通过在细胞前端进行方形FRAP实验来验证这两个特性。肌动蛋白结合蛋白在细胞外进行逆行弹道运动，在细胞内进行顺行囊泡运输，而非肌动蛋白结合蛋白在细胞表面进行扩散而不进行内部循环。一些表面分子在跑步和划桨，而另一些则扩散和阻碍运动。为了进一步测试这一机制，在不影响肌动蛋白踏步或肌动蛋白驱动的细胞变形的情况下，使用内吞抑制剂干扰分子循环机制。非均匀的踏步机制也可以促进粘附的2D基质和涂有整合素配体的3D基质上的推进。在这些情况下，整合素介导的离合机制促进了内部皮层和外部介质之间的最佳动量转移，细胞速度确实接近于肌动蛋白的踏车速度。这对应于肌动蛋白-整合素的离合机制。此外，由于细胞膜与固体基质的摩擦预期比与流体的摩擦更强，非均匀的踏步机制也可以推动细胞通过非粘附的受限环境。限制在两个平板之间和微流控管中的细胞是可运动的。与游泳模式相比，细胞在平板之间的速度稍快，而在试管中则明显快得多。表明非均匀膜踏步的机制支持淋巴细胞在有粘连和无粘连的液体或固体中无处不在的迁移。 

图6.通过内部运输从后到前循环的跨膜蛋白的踏车行为给细胞提供了无处不在的推进力

文章提出的游泳模型揭示了阿米巴细胞无处不在的运动。非均质膜踏步运动可促进变形虫在流体和固体中、有无黏附情况下的普遍迁移;然而，游泳对白细胞的生理作用仍然是个谜。由于免疫细胞的流动(或癌细胞的侵袭性)主要依赖于基质相关的迁移，而且游泳显然与浮游真核细胞(如阿米巴变形虫)有关，游泳的基本机能可能是一种进化保守的能力，这种能力已经在哺乳动物细胞中发现了无处不在的爬行的新功能。然而，游泳可能有助于扩大免疫细胞无处不在的迁移能力，以非限制性结膜组织或液体丰富的感染生态位，如创伤后水肿区。当免疫细胞在充满液体的生态位中移动时，分子划动可以让免疫细胞彻底探索身体的所有位置，比如肿胀的身体部位、感染的膀胱、脑脊液或羊水。

文章来源：细胞与基因线路设计