直流电场联合微通道：抑制癌细胞迁移的新发现

《Scientific Reports》：Direct current electrical fields inhibit cancer cell motility in microchannel confinements

癌细胞转移严重威胁生命，为探究物理信号对癌细胞迁移的影响，研究人员开展了微通道限制（Micro-confinements）和直流电场（dcEFs）对 MDA-MB-231 人乳腺癌细胞运动性影响的研究，发现二者联合可抑制癌细胞迁移，为癌症治疗提供新思路。

　　在癌症的发展进程中，癌细胞的转移如同隐藏在黑暗中的 “杀手”，悄无声息却又极具破坏力。癌细胞从原发部位脱离，侵入周围组织，再通过血液和淋巴系统扩散到身体其他部位，形成转移灶，这一过程使得原本可控制的肿瘤演变成难以治愈的全身性疾病，严重威胁患者的生命健康。一直以来，科学家们都在努力探寻癌细胞转移的奥秘，希望能找到有效的干预手段。虽然对外部化学信号（如趋化因子）和基因突变在转移中的作用已有不少研究，但对于物理信号及其与肿瘤环境中生化变化的相互作用，了解还十分有限。而内源性电场在多种生理和病理过程中都发挥着作用，在肿瘤发展中的角色却仍迷雾重重，这促使研究人员踏上了探索之旅。

来自德国罗伊特林根大学（Reutlingen University）、柏林夏里特医学院（Charité-Universit?tsmedizin Berlin）、新加坡国立大学（National University of Singapore）等机构的研究人员，针对这一难题展开了深入研究。他们将目光聚焦在微通道限制和直流电场对 MDA-MB-231 人乳腺癌细胞运动性的联合影响上。研究发现，直流电场和微通道限制共同作用时，能够显著抑制癌细胞的迁移，这一成果为理解癌症转移机制提供了新的视角，也为开发非侵入性癌症治疗方法带来了新的希望，相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在实验中运用了多种关键技术方法。他们通过标准光刻技术制作了微流体平台，用于模拟细胞的微环境；采用电化学沉积法制备了 Ag/AgCl 电极，为施加直流电场创造条件；利用定制的显微镜活细胞培养室，在显微镜下实时观察细胞的迁移过程；运用免疫荧光染色和成像技术，对细胞的结构和特征进行分析；还借助细胞追踪软件 CellTracker 对细胞的迁移速度、方向等参数进行精确测量。

迁移和电趋化在非限制条件下的情况

研究人员首先研究了不同细胞外基质蛋白涂层对 MDA-MB-231 细胞运动性的影响。他们使用了胶原蛋白 I 型（Col I）、人纤连蛋白（FN H）、牛纤连蛋白（FN B）和基底膜提取物（Geltrex^TM）进行实验，结果发现这些涂层均能显著提高细胞的迁移速度，其中 Col I 涂层效果最为明显。基于此，后续实验选择 Col I 作为唯一的涂层蛋白。接着，研究人员探究了不同强度直流电场（100 - 500mV/mm^-1）对细胞运动性和方向的影响。实验结果显示，100mV/mm^-1的直流电场会使细胞迁移速度显著增加，但对迁移方向和平均细胞取向角没有影响；250mV/mm^-1的直流电场会显著影响细胞的迁移速度和方向；500mV/mm^-1的直流电场不仅使细胞迁移速度和方向进一步增加，还会导致细胞取向角发生显著变化，细胞会向与电场正交的方向排列。

迁移和电趋化在限制条件下的情况

为了研究微通道限制和电场对 MDA-MB-231 细胞迁移的联合影响，研究人员追踪了不同大小微通道（3μm、6μm、11μm）中细胞的迁移情况。结果发现，轻微限制（11μm 通道宽度）会使细胞迁移速度显著增加，但随着限制程度加重，这种促进作用消失。与非限制条件下电场促进细胞迁移不同，在微通道中施加电场会抑制细胞运动。例如，在 11μm 限制条件下，100mV/mm^-1和 250mV/mm^-1的直流电场使细胞迁移速度与非限制条件下相当，而 500mV/mm^-1的直流电场则使迁移速度大幅降低。在 3μm 和 6μm 限制条件下，所有电场强度都导致细胞迁移速度显著低于非限制迁移的细胞。此外，研究人员还发现，随着电场强度增加，MDA-MB-231 细胞的迁移更加持久。进一步研究更高电场强度（750mV/mm^-1和 1000mV/mm^-1）和不同通道尺寸（5μm 和 8μm）时，发现 1000mV/mm^-1的电场可阻止细胞在 5μm 及更小通道中迁移。研究人员还观察到细胞在微通道中有 “推 - 拉” 和 “滑动” 两种不同的迁移模式，且电场可使细胞从 “推 - 拉” 迁移模式转变为 “滑动” 行为。

微通道相互作用

研究人员通过对细胞与微通道相互作用的分类研究，探究了电场和限制条件对细胞侵袭潜力的影响。他们将细胞与微通道的相互作用分为 “渗透细胞”“侵袭细胞” 和 “穿透细胞” 三类。研究发现，通道宽度与渗透细胞数量密切相关，电场会改变这种关系，较高电场强度（500mV/mm^-1及以上）会显著减少渗透细胞数量，几乎完全阻止细胞在 3μm 和 5μm 通道中渗透。对于侵袭细胞，其数量与限制程度有关，电场通常会使侵袭细胞数量减少，但将数量转化为与通道相互作用的细胞比例后，未发现明显规律。对于穿透细胞，其数量与限制程度和电场强度均无明显依赖关系，但穿透细胞的比例会随着通道宽度减小而增加，电场会进一步增强这种增加趋势。

研究表明，直流电场和微通道限制对 MDA-MB-231 细胞的迁移有着复杂而显著的影响。在非限制条件下，较低强度的直流电场会促进细胞迁移，而在微通道限制条件下，电场则起到抑制作用，且这种抑制作用在较小通道尺寸和较高电场强度下更为明显。这一研究不仅揭示了物理信号在癌细胞迁移中的重要作用，还为理解癌症转移机制提供了关键线索。从治疗角度来看，研究结果提示高强度直流电场可能成为抑制癌细胞迁移的潜在治疗手段，为开发新的癌症治疗策略提供了理论依据。不过，目前对于细胞如何响应电场以及相关细胞通路的具体机制仍有待进一步研究，未来的研究可以在此基础上深入探索，有望为癌症治疗带来新的突破。