本文主要介绍南开大学物理科学学院潘雷霆教授课题组近期发表的二维图案化技术操控群体细胞旋转迁移的研究性文章，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2024年第2期。

Geometric regulation of collective cell tangential ordering migration

群体细胞切向有序迁移的几何调控

Hao Dong, Yuming Zhou, Xuehe Ma, Junfang Liu, Fulin Xing, Jianyu Yang, Qiushuo Sun, Qingsong Hu, Fen Hu*, Leiting Pan*, and Jingjun Xu

研究背景

在生物体内，细胞不是孤立存在的个体，它们经常以群体的形式协同工作，共同完成迁移等复杂任务，在生理和病理过程中扮演重要角色。群体细胞迁移的产生和演化受到细胞微环境的调控，如圆形空间限制引导群体上皮细胞产生切向有序的旋转行为。然而实际体内微环境更为复杂多变，空间几何特征如何影响和调控群体细胞的迁移模式尚不清楚。

内容简介

基于光刻图案化技术，圆形图案化限制诱导上皮细胞旋转迁移是群体细胞活性复杂系统标志性的有序行为。本文开发多种定量方法分析群体细胞旋转速度场变化特性，揭示圆形图案限制下细胞旋转存在空间异质性，并探索了空间限制的几何特征如何调控群体细胞的旋转迁移。随后应用细胞Potts模型进行理论模拟，对实验结果成功进行了复现和扩展。

图文导读

文中首先研究了圆形微图案（直径200 μm）约束下细胞切向有序的旋转迁移，并基于粒子成像测速（PIV）技术，得到了细胞迁移的速度场（图1A）。研究团队创新性地开发了一种称为方向角分布的定量分析方法，该方法通过统计细胞速度偏离切向方向的方向角来评估细胞在图案内迁移的定向性。结果表明细胞迁移是两种模式的叠加：一种是遵循高斯分布的定向模式，另一种是遵循均匀分布的随机模式（图1B）。该方法揭示了群体细胞旋转并非固体盘模式旋转，而是呈现出空间异质性，即位于图案边界的细胞比圆心附近细胞的具有更强的切向有序迁移能力（图1C，D）。这一结果表明边界细胞在群体细胞旋转中起着主导作用。

图1：图案边界附近的细胞在群体细胞旋转中起主导作用

进一步地，研究人员探讨了群体细胞在三角形和正方形中的集体运动行为。实验显示，在这些直边界图案的限制下，细胞运动呈弱的定向性，且并未观察到持续的群体旋转现象（图2A-D）。为了深入理解这一现象背后的机制，研究团队又开发了一种称为细胞运动各项同性指数的分析方法，可直观地显示空间中所有位置细胞运动的定向性（图2E）。结果表明在直边界图案的边界交界处，细胞的运动方向出现了显著的紊乱，而在圆形图案的边界区域则表现出连续且较强的定向性。

图2：直边界图案对群体细胞切向有序迁移的调控

由于生理条件下细胞微环境不可能是完美的圆，研究人员设计了带有凹形或者凸形缺陷的圆图案。实验结果发现在凹形缺陷圆图案中，群体细胞的切向有序迁移被显著阻断，而在凸形缺陷的圆图案中，持续的集体旋转运动仍然可以发生（图3A-C）。这种差异性可能是由于缺陷边界附近细胞运动定向性的不同导致的：凹形缺陷附近细胞的定向性显著下降，而凸形缺陷附近的边界细胞仍能保持较好的定向性（图3D）。

图3：圆形图案的凹凸缺陷对群体细胞切向有序迁移的调控

最后，应用细胞Potts模型的理论模拟了圆形限制下的群体细胞旋转迁移现象（图4A，B）。模拟结果进一步表明细胞迁移的方向角分布同样服从高斯分布和均匀分布的叠加，且图案边界细胞的定向性显著高于图案内部，与实验结果一致（图4C，D）。此外，对不同正多边形图案下群体细胞的迁移模拟阐明了一个更普遍的规律，即增加图案的几何对称性和边界平滑度会增强细胞迁移的定向性，从而促进群体细胞的切向有序迁移（图4E，F）。对具有凹形或凸形缺陷的圆图案的模拟表明，细胞定向运动对凹形缺陷确实更为敏感，很小的缺陷半径即能阻止群体细胞有序旋转。而凸形缺陷的影响则相对较小，细胞仍能维持集体旋转（图4G，H）。

图4：细胞Potts模型模拟群体细胞迁移的几何调控

主要创新点

1）开发了方向角分布和各项同性指数的定量分析方法，揭示了群体细胞旋转并非固体盘旋转，而是呈现空间异质性，边界细胞在这一过程中起着主导作用。

2）提出边界平滑性是调控群体细胞切向有序迁移的关键因素，为细胞迁移的几何调控机制提供了新的理论基础。

3）应用细胞Potts模型的理论模拟，成功复现并扩展了实验结果，为理解群体细胞的旋转迁移提供了新视角。

应用前景

研究成果不仅为科研人员提供操控细胞旋转行为新思路，也为理解群体细胞如何在复杂环境中的有序迁移提供了新视角，对深入认识胚胎发育和形态发生等关键生物学过程具有指导意义。此外，研究结果还可为细胞组织工程设计提供新理念。

通讯作者简介

潘雷霆，南开大学物理科学学院教授、博导，药物化学生物学全国重点实验室兼聘教授。主要从事纳微尺度细胞成像与操控研究，包括超分辨光学成像及其生物医学应用、细胞光刻图案化操控、光生物学效应等生物与光学交叉领域科学研究。以第一或通讯作者在Advanced Science, Light: Science & Applications, Cell Reports等杂志发表学术论文40余篇，授权发明专利2项，登记软件著作权1项。主持国家重点研发计划课题1项、国家自然科学基金4项和天津市自然科学基金1项等。目前任中国光学学会生物医学光子学专业委员会副秘书长、中国电子显微镜学会共聚焦专业委员会副主任和中国微循环学会血液治疗专业委员会常委/青年副主委，《Journal of Innovative Optical Health Sciences》和《中国激光》杂志青年编委，《Nature Communications》、《Advanced Science》、《TheInnovation》、《Journal of Cellular Physiology》、《Optics Letters》等多个学科领域杂志审稿人。