今年以來,，3D電影在票房上取得很大成功。與此同時(shí),，使用三維技術(shù)觀察細(xì)胞活動(dòng)也獲得在癌癥研究中的重要進(jìn)展,。最近，一項(xiàng)由美國約翰·霍普金斯大學(xué)工程師們領(lǐng)銜的新研究顯示,，使用三維技術(shù)觀察細(xì)胞活動(dòng)可獲得在癌癥研究中的重要進(jìn)展,。研究團(tuán)隊(duì)成員得出的結(jié)論是,，使用三維技術(shù)觀察細(xì)胞，可以得到更準(zhǔn)確的,、有助于開發(fā)防治癌細(xì)胞擴(kuò)散的抗癌藥物信息,。
這項(xiàng)與華盛頓大學(xué)合作開展的研究結(jié)果，發(fā)表于今年6月出版的《自然-細(xì)胞生物學(xué)》雜志上,。
“發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何移動(dòng)和黏附在表面上對了解癌癥和其他疾病極為重要,。但對這些細(xì)胞行為的了解，絕大部分都局限于培養(yǎng)皿中二維條件下獲得的信息,，”該項(xiàng)目首席研究人員,、約翰·霍普金斯大學(xué)腫瘤工程中心主任Denis Wirtz說，“我們的研究結(jié)果首次展示,，細(xì)胞在像人體這樣的三維環(huán)境中的移動(dòng),，與我們在普通的扁平實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中觀察到的有顯著的不同，在數(shù)量和質(zhì)量兩方面都存在差異,。” 同時(shí),，擔(dān)任約翰·霍普金斯大學(xué)化學(xué)與分子生物工程Theophilus H. Smoot客座教授Wirtz表示，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意義在于,，在平面培養(yǎng)基上快速篩選阻止細(xì)胞移動(dòng)藥物的方法存在很大程度的誤導(dǎo),。這非常重要，原因在于細(xì)胞移動(dòng)與癌擴(kuò)散有關(guān),。“我們的研究可能在三維介質(zhì)條件下找到一個(gè)顯著降低細(xì)胞侵染的可能靶點(diǎn),。” 當(dāng)細(xì)胞在二維條件下生長時(shí)，某些蛋白質(zhì)有助于形成被稱為灶性黏附的持久黏附,。在二維條件下,，這些黏附可以持續(xù)數(shù)秒到數(shù)分鐘。細(xì)胞通常形成一個(gè)范圍更廣,、被稱為生長瓣的扇狀凸起,，幫助細(xì)胞向前移動(dòng)。“在三維環(huán)境下,，外形完全不同,，更像紡錘狀，在兩端都有凸起,；如果真存在灶性黏附,，那么灶性黏附尺寸將會(huì)很小、存在時(shí)間非常短,，不能用顯微鏡解析。”Wirtz表示,。
該項(xiàng)研究的主要負(fù)責(zé)人,、約翰·霍普金斯大學(xué)化學(xué)與分子生物工程博士生Stephanie Fraley指出,，“細(xì)胞在二維環(huán)境中的形狀和移動(dòng)模式僅僅是環(huán)境作用下形成的特殊結(jié)果。三維細(xì)胞培養(yǎng)的難度遠(yuǎn)高于二維細(xì)胞培養(yǎng),，典型情況下,，在動(dòng)物模型試驗(yàn)前，藥物研究都在二維細(xì)胞培養(yǎng)中進(jìn)行,。有時(shí),，藥物研究結(jié)果和臨床研究結(jié)果不一樣。這可能是了解為何產(chǎn)生這種差異的關(guān)鍵之一,。”
Fraley所在研究機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人Wirtz建議,，藥物研究結(jié)果與臨床研究結(jié)果存在脫節(jié)的部分原因可能在于，即便在成為三維環(huán)境的研究中,，多個(gè)細(xì)胞底部仍然位于基質(zhì)的頂部,。“在很多研究工作中，多個(gè)細(xì)胞僅有部分埋于基質(zhì)中,，這種情況我們稱為2.5維狀態(tài),。”論文顯示，三維與2.5維存在根本差異：灶性黏附消失,，用于調(diào)節(jié)細(xì)胞移動(dòng)性的灶性黏附蛋白質(zhì)的作用變得不同,。
Wirtz補(bǔ)充道，由于失去黏附性和細(xì)胞移動(dòng)增強(qiáng)是癌癥的特征,，他們的研究結(jié)果將根本性改變用于藥物研究的細(xì)胞的培養(yǎng)方式,。譬如，在三維環(huán)境中,，加工斑聯(lián)蛋白（zyxin）的細(xì)胞以隨機(jī)方式移動(dòng),，尋找它們的局部環(huán)境。然而,，當(dāng)斑聯(lián)蛋白基因被停止時(shí),，細(xì)胞幾乎以一維方式遠(yuǎn)離原來的部位、快速和持續(xù)移動(dòng),。
Fraley認(rèn)為,，這些細(xì)胞甚至?xí)刂呀?jīng)尋找過的路徑返回。“眾所周知,，斑聯(lián)蛋白在很多癌癥中被錯(cuò)誤調(diào)控”,。因此，他補(bǔ)充道,，了解三維環(huán)境中類似斑聯(lián)蛋白的功能是了解細(xì)胞如何展開或轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵所在,。“當(dāng)然，腫瘤生長十分重要,，但使大多數(shù)癌癥患者死亡的是癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移,。”
為研究三維環(huán)境下的細(xì)胞活動(dòng),，研究小組在玻片上鋪上數(shù)毫米厚的富含膠原蛋白的凝膠。膠原蛋白是體內(nèi)最為豐富的蛋白質(zhì),，在凝膠中形成類似細(xì)胞在體內(nèi)生長的細(xì)胞外基質(zhì)骨架,。研究人員在凝膠成形前將細(xì)胞混入，然后,，使用倒置共聚焦顯微鏡從下邊觀察細(xì)胞在凝膠基質(zhì)中的移動(dòng),。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在二維環(huán)境中移動(dòng)時(shí),，細(xì)胞下側(cè)總與表面接觸,，形成很多尺寸大、存在時(shí)間長的灶性黏附,。而細(xì)胞在三維環(huán)境中移動(dòng)時(shí),，只與包圍細(xì)胞的膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)有輕微接觸，接觸部位極小,、存在時(shí)間短,，研究者觀察到。
“我們認(rèn)為,，在三維環(huán)境中,，二維環(huán)境中同樣的灶性黏附蛋白作用完全不同，但作用尚不知曉,。”Wirtz表示,，下一步的研究將特別關(guān)注三維環(huán)境下類似斑聯(lián)蛋白這樣機(jī)械刺激感覺蛋白在細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性中的作用，以及凝膠基質(zhì)孔徑和剛度對細(xì)胞遷移的影響,。(生物谷Bioon.net)
生物谷推薦原文出處：
Nature Cell Biology doi:10.1038/ncb2062
A distinctive role for focal adhesion proteins in three-dimensional cell motility
Stephanie I. Fraley1,2,6, Yunfeng Feng2,3,4,6, Ranjini Krishnamurthy1, Dong-Hwee Kim1,2, Alfredo Celedon1,5, Gregory D. Longmore2,3,4 & Denis Wirtz1,2
Focal adhesions are large multi-protein assemblies that form at the basal surface of cells on planar dishes, and that mediate cell signalling, force transduction and adhesion to the substratum. Although much is known about focal adhesion components in two-dimensional (2D) systems, their role in migrating cells in a more physiological three-dimensional (3D) matrix is largely unknown. Live-cell microscopy shows that for cells fully embedded in a 3D matrix, focal adhesion proteins, including vinculin, paxillin, talin, α-actinin, zyxin, VASP, FAK and p130Cas, do not form aggregates but are diffusely distributed throughout the cytoplasm. Despite the absence of detectable focal adhesions, focal adhesion proteins still modulate cell motility, but in a manner distinct from cells on planar substrates. Rather, focal adhesion proteins in matrix-embedded cells regulate cell speed and persistence by affecting protrusion activity and matrix deformation, two processes that have no direct role in controlling 2D cell speed. This study shows that membrane protrusions constitute a critical motility/matrix-traction module that drives cell motility in a 3D matrix.
