上皮细胞是覆盖并保护人体的微小"屏障"。在胚胎发育过程中，上皮细胞不断生长、分裂并迁移到特定位置，形成皮肤外层以及器官和血管的表面。当皮肤受到擦伤、内部组织撕裂或接受手术时，上皮细胞会迁移至损伤部位参与愈合。而一旦上皮细胞发生异常，则可能转变为恶性细胞并在体内扩散，形成癌症。
麻省理工学院（MIT）的工程师近日发现，上皮细胞在迁移过程中能够相互同步并集体脉动。这项研究今天发表在《Newton》期刊上。研究人员观察到，成群的上皮细胞会像一圈舞者聚拢又分开一样，反复做出向内汇聚、再向外扩散的运动。
研究团队在不同类型的上皮细胞中测量了这种集体节律性脉动，包括健康细胞、良性肿瘤细胞和癌性细胞。
令人意外的是，他们发现恶性上皮细胞的同步性更为持久，其脉动时间是健康细胞的两倍。目前尚不清楚细胞为何会以这种方式同步，但研究人员认为，这种"细胞之舞"或许可以作为一种临床信号。
"与健康细胞相比，侵袭性更强的癌细胞往往表现出更稳定、更持久的节律，"该研究的作者、MIT机械工程系教授郭明表示，"我们认为，这种协调性可能是肿瘤扩散风险的早期预警信号。同样的协调波动在胚胎发育塑形和伤口愈合过程中也可能发挥重要作用。"
该研究的第一作者为MIT前研究生唐文慧（SM '20，PhD '24），其他合作者包括哈佛大学的Mehrana Nejad和L. Mahadevan，以及加拿大国家研究委员会计量研究中心的Adrian Pegoraro。
细胞有自己的节奏
在研究上皮细胞如何组织并发育成完整器官和组织的过程中，科学家此前主要关注细胞之间的空间协调问题，例如细胞向何处移动、其相对于生长组织的位置以及最终的落脚点。然而，细胞运动如何在时间维度上相互关联，目前的研究仍然较为有限。
郭明在MIT的研究团队专注于分析细胞相互作用中的规律，以区分健康状态与疾病状态。在研究过程中，团队会对实验室培养的细胞进行显微拍摄，从中识别细胞间的有趣行为。最近，时任郭明实验室成员的唐文慧在观看一系列上皮细胞的延时视频时，发现了一种随时间出现的节律性规律。
"我当时在研究细胞的集体迁移行为，发现细胞不断膨胀、挤压，再膨胀，周而复始，形成局部的周期性变化，"唐文慧回忆道，"那一刻我意识到，这些细胞随时间的演变或许有着更深层的规律。"
测量脉动信号
在新研究中，研究人员将重点放在细胞运动的时间节律上。他们首先以实验室培养的健康活体上皮细胞为研究对象，用荧光染料对细胞进行染色以标记每个细胞的细胞核，从而清晰地区分不同细胞。培养皿中含有充足的营养物质，以维持细胞的自然生长、分裂和运动。
"我们观察的是细胞的自然迁移过程，与它们在体内形成皮肤、器官以及愈合伤口时的迁移行为是一致的，"郭明解释道。
研究团队使用共聚焦显微镜，每隔几分钟对细胞进行一次拍摄，持续观察时间长达30小时。当他们将这些图像连接成延时视频时，一个清晰的规律浮现出来。
"如果你盯着某一个位置看，会发现那些荧光点不断聚拢，然后散开，再聚拢，再散开，就像波浪一样，"唐文慧描述道。
研究人员观察到，一次完整的脉动周期约为一小时。在整个30小时的观察期内，健康细胞持续保持着这种缓慢而稳定的节律。
为了探究其他类型的上皮细胞是否会出现类似的同步脉动，团队用多种人类乳腺癌上皮细胞系进行了相同的实验，研究了来自良性肿瘤和不同恶性程度肿瘤的细胞运动。结果发现，每种细胞类型中都存在类似的同步脉动现象，尤其在恶性程度最高的癌细胞中表现最为明显。
"我们发现，危险性最高的癌细胞会随时间推移表现出持续的振荡行为，持续时间是健康细胞的两倍，"郭明说，"这出乎我们的预料。这些细胞真的会协作、同步并一起振荡，这很可能促进了它们的侵袭扩散。"
研究人员还观察到细胞同步性与细胞密度之间存在相关性：在每个培养皿中，无论细胞类型如何，细胞都会持续生长、分裂并脉动。随着细胞数量增加，同步脉动的细胞数量增多，同步程度也随之提升，但在达到某一临界点后，脉动开始减弱。
"同步性在到达峰值后会随着细胞密度的继续增大而下降，"唐文慧说。
这一规律在哮喘等疾病的背景下尤为值得关注。上皮细胞覆盖着包括气道在内的许多器官和组织内壁。在健康人体中，这些细胞紧密堆积并发生"堵塞"，形成稳固的保护性内衬。而哮喘患者的气道上皮细胞则难以紧密堵塞，导致气道松散脆弱，容易受到刺激且难以自愈。
郭明和唐文慧认为，鉴于细胞密度与细胞同步性之间存在关联，或许可以通过观察药物对哮喘细胞同步性的影响来指导哮喘治疗方案的开发。类似的方法也可用于癌症药物的筛选。
"恶性程度更高的细胞同步性更强。用某种药物处理后，如果其同步性遭到破坏，那么这种药物很可能具有疗效，值得进入下一步研究，"郭明展望道。
本研究的部分经费由美国国立卫生研究院资助。
Q&A
Q1：上皮细胞集体脉动是什么现象？
A：上皮细胞在迁移过程中会发生集体脉动，即成群细胞周期性地相互聚拢再扩散，类似波浪运动，一次完整脉动周期约为一小时。MIT研究人员通过荧光染色和共聚焦显微镜对细胞进行长达30小时的连续拍摄，首次系统记录了这一节律性同步行为。
Q2：恶性癌细胞的脉动与健康细胞有什么区别？
A：研究发现，恶性上皮细胞的同步脉动持续时间是健康细胞的两倍，节律更稳定、更持久。侵袭性越强的癌细胞，同步振荡的能力越强，研究人员认为这种持续协调的脉动可能促进了癌细胞的侵袭扩散，并有望作为判断肿瘤扩散风险的早期临床信号。
Q3：这项发现对癌症和哮喘的治疗有什么潜在价值？
A：研究人员认为，细胞脉动同步性可作为药物筛选指标。对于癌症治疗，如果某种药物能够破坏恶性细胞的同步脉动，则可能是有效药物，值得进一步研究。对于哮喘，由于细胞密度与同步性相关，可通过监测药物对哮喘细胞同步性的影响来评估疗效。
