今日《科學》：細胞也能成為走迷宮高手？

今日，最新一期《科學》雜誌發表了一項很有意思的研究：一支來自英國的團隊分別讓胰腺癌細胞與細菌 「走迷宮」。有趣的是，這兩類不同的細胞還真能找到出口。這是為啥？

▲細胞花了一個多小時，走出了這個迷宮（圖片來源：參考資料[1]）

在解釋細胞的特殊尋路本領前，我們先來了解下科學家們為啥要讓細胞走迷宮。長久以來，科學家們就想知道細胞如何進行長距離的遷徙。這對理解胚胎發育，或是癌症的轉移，都有重要的意義。早期的研究發現，細胞具有一定的趨化性，也就是會依照某種化學分子的濃度梯度進行遷徙。這就好像人想要走出黑暗的山洞，就要朝著光線逐漸變強的方向前進。

然而，簡單的趨化性無法解釋很多複雜的現象。比如有時細胞需要長途跋涉，前往身體的另一端。難道身體的兩端之間，有著嚴格的化學分子濃度梯度嗎？顯然，這是不現實的。另外，細胞的遷徙道路並非是「直達」，路上還有很多岔道。它們又要怎樣找到正確的道路，避免誤入歧途？

▲細胞不但能走出迷宮，還會尋找最短的路徑（圖片來源：參考資料[1]；不同顏色代表不同的時間，藍色代表進入迷宮的早期，紅色代表後期）

基於這些問題，研究人員們對「趨化性」模型進行了優化，指出細胞可以將周圍吸引它們的趨化分子進行降解，人為創造更強的濃度梯度出來。打個比方，比如某種細菌會從糖分子濃度較低的地方，移動到糖分子濃度較高的地方。但如果周圍糖分子的濃度都很高，沒有明顯的高低，它就無所適從，失去了前進的方向。但要是它一邊走一邊吃，走過的道路上，糖分子的濃度就會變低。這樣一來，它們就知道，繼續往前走，才能吃到更多的糖。

▲兩種不同情況的模擬。上圖為簡單來自環境的濃度梯度，下圖為降解趨化分子後自發產生的濃度梯度（圖片來源：參考資料[1]；不同顏色代表不同的濃度，紫色為最高，白色為最低）

▲實際觀察到的細胞運動情況（圖片來源：參考資料[1]）

研究人員們表示，這種通過降解趨化分子來自尋道路的做法，比起簡單依靠大環境的濃度梯度，可以讓細胞前進得更為主動，也讓長途跋涉有了理論上的依據——細胞不需要全身性的化學分子濃度梯度。它只要「逢山開路，遇水搭橋」，隨時產生驅動其前行的濃度差即可。

而且，這個模型還能解釋細胞如何選擇正確的道路，這正是最初科學家們讓細胞走迷宮的原因。理論上說，如果在細胞面前有兩條同樣的開放式道路，它們會自我達成平衡，做到兵分兩路——前往其中一條路的細胞多了，這條道路中的趨化分子總體水平就會降低。這樣一來，細胞就會被另一條道路裡的趨化分子所吸引，達成微妙的動態平衡。

而如果前方有一條是死胡同，裡頭的趨化分子會很快被先頭部隊所降解光。這樣一來，後續的細胞就知道此路不通，紛紛轉向正確的道路。

▲通過感知趨化分子的濃度變化，細胞可以自行規避死胡同（圖片來源：參考資料[1]）

▲死胡同越短，細胞能越快做出判斷（圖片來源：參考資料[1]）

▲死胡同越長，細胞也越容易迷路……（圖片來源：參考資料[1]）

更神奇的是，由於趨化分子本身會向四周擴散，這些細胞在道路的分支處，就可以提前對其進行降解，並由此判斷出哪一條是死路。研究人員們也指出：趨化分子的擴散速度越快、細胞本身移動的速度越慢、或是死路越短，細胞做出正確判斷的機率也越高。

▲只要掌握了訣竅，再複雜的迷宮也沒問題（圖片來源：參考資料[1]）

綜合來看，研究人員們指出由細胞自行產生的趨化分子濃度梯度，能讓細胞高效在複雜的道路中穿梭。如果能理解細胞如何與其他細胞、趨化分子、以及所處的環境進行互作，就能更好地理解細胞在體內的遷徙。這能幫助我們搞明白很多生理髮育過程，以及像癌症轉移這樣的病理過程。

參考資料：

[1] Luke Tweedy et al., (2020), Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown, Science, DOI: 10.1126/science.aay9792