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研究人员为探究电场对细胞间相互作用的影响，开展人角膜上皮细胞电趋化研究，发现电场影响细胞间相互作用，具有重要意义。
在细胞的微观世界里，细胞的运动和相互作用就像一场神秘的舞蹈。真核细胞在体外展现出复杂的运动模式，在低密度时，单细胞运动是一个随机过程，受细胞内外部多种因素影响。而电场作为一种外部信号，能够引导细胞的运动，这一过程被称为电趋化（electrotaxis）。以往的研究对单细胞在电场中的运动特性有了一定的了解，比如知道细胞在电趋化过程中的偏向运动源于极性偏向，即细胞会使其极化方向与周围电场对齐。然而，细胞在培养环境中并非孤立存在，细胞间的相互作用频繁发生。像接触抑制运动（contact inhibition of locomotion，CIL）和速度对齐等现象，在细胞间碰撞时起着重要作用，影响着多细胞系统中的细胞迁移，如神经嵴细胞迁移和癌细胞转移。但令人疑惑的是，电场这个外部因素，在影响单细胞运动的同时，是否也会改变细胞间相互作用的默认模式呢？此前，这方面的定量研究还存在空白。
为了填补这一知识空白，来自英国牛津大学数学研究所和医学院的研究人员 Rebecca M. Crossley 和 Simon F. Martina-Perez 展开了深入研究，相关成果发表在《Biophysical Journal》上。
研究人员采用了多种关键技术方法来推进研究。首先，利用 Prescott 等人已有的实验数据，这些数据来自对稀疏接种细胞在两种不同实验条件下的时间推移视频，即对照实验和电趋化实验。然后，运用自动分割技术，借助 Cellpose 中的预训练 cyto2 模型，自动分割细胞，精确提取细胞位置以及细胞表面的细胞间相互作用信息。再通过 Fiji Trackmate 插件获取细胞轨迹和相关特征。最后，使用 Python 中的 scipy 包进行非参数检验（如 Mann–Whitney U 检验），来分析数据的显著性差异。
研究结果主要围绕以下几个方面展开：
- 电趋化引导单细胞运动：研究发现，电场能引导人角膜上皮细胞沿电场方向运动。在对照实验和电趋化实验中，电场开启前，细胞运动随机，平均速度和方向性为零。电场开启后，细胞的方向性和速度的 x 分量变为正值，电场反转时，方向性变为负值，且两者差异显著（P≤10?3）。同时，电场虽然使细胞速度有所增加，但幅度较小，且细胞速度受细胞形态特征影响，例如在电趋化过程中，细胞存在一个约为 0.8 的最佳纵横比，此时细胞能达到最大速度。
- 表征对照和电趋化实验中的细胞间接触：电场对细胞间接触界面长度的分布影响不大，但细胞间接触持续时间的分布在电趋化时存在较长的尾部，意味着部分细胞在电趋化时接触时间更长。此外，电趋化时迁移细胞簇的大小通常比对照条件下更大。
- 表征细胞间相互作用：
- 对照实验中的 CIL 和对齐：细胞间碰撞频繁，不同速度的相邻细胞与焦点细胞相互作用时呈现不同模式。低速（低于 50μm/h）相邻细胞与焦点细胞作用时，CIL 和相对对齐无明显模式。高速（高于 100μm/h）相邻细胞与焦点细胞作用时，在焦点细胞不同位置有不同表现，如在细胞前端附近，无 CIL，细胞表现为 “stick & scatter” 行为；在细胞侧面和对角及前端区域，分别有不同的相互作用模式。
- 电趋化实验中的相互作用：同样受相邻细胞速度影响。低速时，根据接触位置不同，焦点细胞表现出不同行为；高速时，在焦点细胞的后端和前端接触，分别出现 “stick and align” 和 “repel & scatter” 行为，且在电趋化中，前后细胞碰撞会使较慢细胞速度增加，而在对照实验中无此现象。
- 电趋化实验中电场反转的影响：研究发现，当电场在 3 小时时瞬间反转，细胞可能通过快速反转极性或比数据采集时间尺度更快的 U 型转弯来改变运动方向，具体机制可能与细胞内信号通路、细胞表面受体电荷以及肌动蛋白细胞骨架的动态重组有关。
研究结论和讨论部分指出，该研究量化了细胞间碰撞后单个细胞运动的变化，揭示了外部电场对人角膜上皮细胞间相互作用模式的显著影响。电场不仅改变了细胞重新极化和对齐的方式，还改变了细胞表面不同区域对相互作用的响应特性。这一研究成果拓展了现有对电趋化的认知，为后续研究开辟了新方向。未来可进一步探究电场影响细胞间相互作用的机制，比如相关信号通路的变化、亚细胞组织的改变，以及介质成分和底物刚度等环境因素的影响。此外，还可以将研究方法扩展到其他细胞类型，考虑多细胞簇的相互作用以及电场对细胞增殖的影响，这对于深入理解细胞行为、推进再生医学、组织工程和疾病治疗等领域具有重要意义。
