免疫細胞運動模式研究

圖片來源：sogou.com

 

一種名為嗜中性粒細胞（neutrophils）的白細胞是免疫系統中的「全地形車」（all-terrain vehicle），在免疫系統中具有多種作用。該細胞可以對抗體內任何組織和器官發生的感染或外傷，盡管這些組織和器官在細胞層面以及生物化學成分方面存在著諸多的差異。布朗大學（Brown University）工程學院（School of Engineering）和沃倫•艾伯特醫學院（Warren Alpert Medical School）外科系（Department of Surgery）的研究人員合作發明了一種研究嗜中性粒細胞如何在這些有限空間內運動的新型檢測技術。該技術主要是使用兩個水凝膠袋夾在一起產生微尺度空間。嗜中性粒細胞可以置於該微尺度空間中，該空間可以模擬嗜中性粒細胞在組織內的環境。定時照相機測量這些細胞運動的速度，牽引力顯微鏡測定細胞施加給周圍凝膠的力的大小。

 

在發表於Journal of Biological Chemistry的論文中，研究人員使用該設備揭示了嗜中性粒細胞運動的新細節。身體組織是非常狹窄、密閉的三維空間，該空間在物理形態和彈性上變化很大。研究人員表示，嗜中性粒細胞對周圍環境的物理屬性十分敏感：它們在平整表面上的行為與在有限的三維空間內的行為不同。最後，該團隊希望這一系統能用於篩選藥物，用於優化在特殊組織中嗜中性粒細胞對抗感染的能力。

 

傳統觀念認為，實驗室中對嗜中性粒細胞運動的研究通常在由塑料或玻璃構成的二維不可彎曲表面上進行。這些研究顯示，嗜中性粒細胞使用手臂狀附肢整合素（integrins）來運動。細胞伸出整合素，像微小的抓鉤一樣緊緊抓在平整的表面上，然後將這些整合素向內卷起，細胞就能夠向前爬行。

 

科學家認為，抑制整合素能夠顯著降低細胞在組織內運動的能力。他們認為，這會是對抗嗜中性粒細胞攻擊、破壞健康組織的自身免疫疾病的一個很好的策略。

 

但是2008年一篇影響重大的論文顯示，嗜中性粒細胞還有另外一種運動模式。該論文證明整合素被關閉的細胞仍能夠在密集的組織中運動。

 

布朗大學的工程學助理教授Christian Franck和同事想進一步了解細胞的第二種運動模式。

 

Franck說：「在平整的二維表面上，細胞進行整合素依賴型運動，但在復雜的三維材料中，細胞則進行非整合素依賴型運動。我們提出的問題是，能否找到一個體外系統創造非整合素依賴型運動，因為這種運動不能在常規的培養皿中觀察到。」

 

通過使用凝膠系統和牽引力顯微鏡，Franck和同事發現在受限制的時候，嗜中性粒細胞施加的力作用於幾個不同的點。在細胞底部，力的產生方式與整合素依賴型運動中相同，但在細胞頂部存在另一種力。細胞以其核葉（細胞存儲DNA遺傳信息的區域）推動凝膠的上表面來運動。

 

Franck說：「這就像攀岩者在峽谷壁上攀岩一樣。」

 

為了確定在沒有整合素的情況下，核葉產生的力是否對細胞運動起作用，研究者進行了另外一項實驗，在這項實驗中科學家使用化學方法抑制了細胞中的整合素。果然，細胞在受限制的凝膠間仍能夠運動，而且運動得更快。

 

Franck說：「我們證明，物理限制是在相對簡單的設置下模擬非整合素依賴型運動的關鍵因素，這種運動模式在平整的表面上無法模擬。」

 

受限制細胞在沒有整合素時運動得更快這一事實表明，雖然整合素不是細胞運動所必需的，但其仍然起著調控作用。

 

Franck說：「研究證明，整合素的作用並不是非黑即白，即使在非整合素依賴型運動中，整合素仍調節著運動和力的產生。」

 

目前，研究人員可以在實驗室中模擬嗜中性粒細胞如何在受限制的空間內運動，Franck和他的團隊計劃進行進一步精密調節該運動的實驗。他們所開發的系統使他們能夠控制細胞運動所在的凝膠表面的硬度，模仿體內組織硬度的變化。

 

Franck指出：「如果嗜中性粒細胞的運動模式在一定的組織中是一定的，我們也許可以減弱其反應。例如，我們可以使其在肌肉中運動得快些，而在其它地方運動的慢些。」

 

這一新系統也可用於測試起同樣作用的藥物，這種藥物對免疫系統紊亂的患者大有裨益。