科学家发现细胞在动态基质中的新型高速迁移模式

近日，南京大学教授曹毅、四川大学教授魏强以及合作者在《自然-通讯》上发表研究成果。研究深入探讨了动态刚度增强细胞力所带来的功能性影响，发现快速循环刚度变化能让细胞在原本无法移动的软基底上实现高速迁移。这种独特的适应性无需细胞建立极性，也无需传统间充质迁移所需的黏着斑力化学更新。

团队建立的理论模型充分考虑了动态条件下的力失衡机制，能够准确预测细胞的迁移速度及形态演变。这项研究突显了细胞在动态力学环境中自主迁移的内在能力，对于理解细胞在动态生理或病理条件下的行为至关重要。

研究过程中，团队利用其开发的光响应水凝胶构建了可精确调控的动态力学环境。他们发现，当基底刚度在1.6千帕和2.2千帕之间以1分钟的间隔快速循环时，细胞的迁移速度提升了超过36倍，甚至超过了在13.0千帕静态刚性基底上的传统迁移速度，这颠覆了“细胞在软基底上难以迁移”的传统认知。与传统的、具有明确方向的间充质迁移不同，细胞在动态软基底上展现出独特的“伸长-回弹”行为。这种迁移模式无需细胞建立极性，表现出高效但无固定方向的“探索式”运动。

前期研究发现动态刚度循环可导致力信号蛋白的积累，从而增强细胞内部收缩力，驱动细胞伸展。而这项研究进一步揭示，这种内部收缩力的快速增长打破了细胞内外的力平衡。当内部收缩力持续超过外部黏附力时，细胞一侧黏着斑全部崩解，使细胞体迅速“回弹”完成位移。这种由动态刚度诱导的“力失衡”是驱动迁移的核心机制。实验验证中，当通过增强黏附或抑制收缩来“修复”力失衡后，细胞的快速迁移现象随之消失，有力证实了该机制的正确性。

这项研究不仅发现了一种全新的细胞迁移模式，还深化了对细胞力学感知机制的理解，表明细胞能巧妙利用环境的动态变化来克服静态限制。在生理层面，这种“探索-稳定”的迁移模式有助于细胞在体内快速探索微环境，如在组织修复时迅速离开损伤区域并“定居”于稳定环境。然而，在病理状态下，该机制也可能被癌细胞等“利用”，在力学稳态被破坏的组织中（如癌症或纤维化），使其获得超强的迁移能力，从而增加侵袭和转移的风险。

该系列研究系统阐明了细胞整合动态力学信号的完整路径，为细胞生物学和力学领域开辟了新方向，也为开发新型生物材料、设计组织工程策略及干预疾病进展提供了重要的理论基础。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63854-9