今年以来，3D电影在票房上取得很大成功。与此同时，使用三维技术观察细胞活动也获得在癌症研究中的重要进展。最近，一项由美国约翰·霍普金斯大学工程师们领衔的新研究显示，使用三维技术观察细胞活动可获得在癌症研究中的重要进展。研究团队成员得出的结论是，使用三维技术观察细胞，可以得到更准确的、有助于开发防治癌细胞扩散的抗癌药物信息。
这项与华盛顿大学合作开展的研究结果，发表于今年6月出版的《自然-细胞生物学》杂志上。
“发现细胞如何移动和黏附在表面上对了解癌症和其他疾病极为重要。但对这些细胞行为的了解，绝大部分都局限于培养皿中二维条件下获得的信息，”该项目首席研究人员、约翰·霍普金斯大学肿瘤工程中心主任Denis Wirtz说，“我们的研究结果首次展示，细胞在像人体这样的三维环境中的移动，与我们在普通的扁平实验室培养皿中观察到的有显着的不同，在数量和质量两方面都存在差异。” 同时，担任约翰·霍普金斯大学化学与分子生物工程Theophilus H. Smoot客座教授Wirtz表示，这项发现的意义在于，在平面培养基上快速筛选阻止细胞移动药物的方法存在很大程度的误导。这非常重要，原因在于细胞移动与癌扩散有关。“我们的研究可能在三维介质条件下找到一个显着降低细胞侵染的可能靶点。” 当细胞在二维条件下生长时，某些蛋白质有助于形成被称为灶性黏附的持久黏附。在二维条件下，这些黏附可以持续数秒到数分钟。细胞通常形成一个范围更广、被称为生长瓣的扇状凸起，帮助细胞向前移动。“在三维环境下，外形完全不同，更像纺锤状，在两端都有凸起；如果真存在灶性黏附，那么灶性黏附尺寸将会很小、存在时间非常短，不能用显微镜解析。”Wirtz表示。
该项研究的主要负责人、约翰·霍普金斯大学化学与分子生物工程博士生Stephanie Fraley指出，“细胞在二维环境中的形状和移动模式仅仅是环境作用下形成的特殊结果。三维细胞培养的难度远高于二维细胞培养，典型情况下，在动物模型试验前，药物研究都在二维细胞培养中进行。有时，药物研究结果和临床研究结果不一样。这可能是了解为何产生这种差异的关键之一。”
Fraley所在研究机构的负责人Wirtz建议，药物研究结果与临床研究结果存在脱节的部分原因可能在于，即便在成为三维环境的研究中，多个细胞底部仍然位于基质的顶部。“在很多研究工作中，多个细胞仅有部分埋于基质中，这种情况我们称为2.5维状态。”论文显示，三维与2.5维存在根本差异：灶性黏附消失，用于调节细胞移动性的灶性黏附蛋白质的作用变得不同。
Wirtz补充道，由于失去黏附性和细胞移动增强是癌症的特征，他们的研究结果将根本性改变用于药物研究的细胞的培养方式。譬如，在三维环境中，加工斑联蛋白（zyxin）的细胞以随机方式移动，寻找它们的局部环境。然而，当斑联蛋白基因被停止时，细胞几乎以一维方式远离原来的部位、快速和持续移动。
Fraley认为，这些细胞甚至会沿着已经寻找过的路径返回。“众所周知，斑联蛋白在很多癌症中被错误调控”。因此，他补充道，了解三维环境中类似斑联蛋白的功能是了解细胞如何展开或转移的关键所在。“当然，肿瘤生长十分重要，但使大多数癌症患者死亡的是癌细胞转移。”
为研究三维环境下的细胞活动，研究小组在玻片上铺上数毫米厚的富含胶原蛋白的凝胶。胶原蛋白是体内最为丰富的蛋白质，在凝胶中形成类似细胞在体内生长的细胞外基质骨架。研究人员在凝胶成形前将细胞混入，然后，使用倒置共聚焦显微镜从下边观察细胞在凝胶基质中的移动。他们发现，细胞在二维环境中移动时，细胞下侧总与表面接触，形成很多尺寸大、存在时间长的灶性黏附。而细胞在三维环境中移动时，只与包围细胞的胶原蛋白网络有轻微接触，接触部位极小、存在时间短，研究者观察到。
“我们认为，在三维环境中，二维环境中同样的灶性黏附蛋白作用完全不同，但作用尚不知晓。”Wirtz表示，下一步的研究将特别关注三维环境下类似斑联蛋白这样机械刺激感觉蛋白在细胞运动性中的作用，以及凝胶基质孔径和刚度对细胞迁移的影响。(生物谷Bioon.net)
生物谷推荐原文出处：
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.
