科學家發現細胞在動態基質中的新型高速遷移模式

近日，南京大學教授曹毅、四川大學教授魏強以及合作者在《自然-通訊》上發表研究成果。研究深入探討了動態剛度增強細胞力所帶來的功能性影響，發現快速循環剛度變化能讓細胞在原本無法移動的軟基底上實現高速遷移。這種獨特的適應性無需細胞建立極性，也無需傳統間充質遷移所需的黏著斑力化學更新。

團隊建立的理論模型充分考慮了動態條件下的力失衡機制，能夠準確預測細胞的遷移速度及形態演變。這項研究突顯了細胞在動態力學環境中自主遷移的內在能力，對于理解細胞在動態生理或病理條件下的行為至關重要。

研究過程中，團隊利用其開發的光響應水凝膠構建了可精確調控的動態力學環境。他們發現，當基底剛度在1.6千帕和2.2千帕之間以1分鐘的間隔快速循環時，細胞的遷移速度提升了超過36倍，甚至超過了在13.0千帕靜態剛性基底上的傳統遷移速度，這顛覆了“細胞在軟基底上難以遷移”的傳統認知。與傳統的、具有明確方向的間充質遷移不同，細胞在動態軟基底上展現出獨特的“伸長-回彈”行為。這種遷移模式無需細胞建立極性，表現出高效但無固定方向的“探索式”運動。

前期研究發現動態剛度循環可導致力信號蛋白的積累，從而增強細胞內部收縮力，驅動細胞伸展。而這項研究進一步揭示，這種內部收縮力的快速增長打破了細胞內外的力平衡。當內部收縮力持續超過外部黏附力時，細胞一側黏著斑全部崩解，使細胞體迅速“回彈”完成位移。這種由動態剛度誘導的“力失衡”是驅動遷移的核心機制。實驗驗證中，當通過增強黏附或抑制收縮來“修復”力失衡后，細胞的快速遷移現象隨之消失，有力證實了該機制的正確性。

這項研究不僅發現了一種全新的細胞遷移模式，還深化了對細胞力學感知機制的理解，表明細胞能巧妙利用環境的動態變化來克服靜態限制。在生理層面，這種“探索-穩定”的遷移模式有助于細胞在體內快速探索微環境，如在組織修復時迅速離開損傷區域并“定居”于穩定環境。然而，在病理狀態下，該機制也可能被癌細胞等“利用”，在力學穩態被破壞的組織中（如癌癥或纖維化），使其獲得超強的遷移能力，從而增加侵襲和轉移的風險。

該系列研究系統闡明了細胞整合動態力學信號的完整路徑，為細胞生物學和力學領域開辟了新方向，也為開發新型生物材料、設計組織工程策略及干預疾病進展提供了重要的理論基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63854-9