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在细胞迁移研究中，为探究鱼表皮角质细胞（keratocyte）细胞体旋转机制，山口大学研究人员构建玩具机器人模拟细胞体变形。结果发现应力纤维线性收缩是细胞体旋转驱动力，该成果为仿生软机器人设计提供思路。
在生命的微观世界里，细胞的迁移如同一场神秘的旅程，对众多生物过程意义非凡，从胚胎发育的精密构建，到伤口愈合的自我修复，再到免疫系统抵御外敌的巡逻防御，细胞迁移都扮演着关键角色。在这之中，鱼表皮角质细胞（keratocyte）的迁移尤为独特，它就像微观世界里的 “极速修复小能手”，能以极快的速度修复伤口，其迁移速度之快令人惊叹，远超人类皮肤细胞。
然而，这个 “小能手” 在迁移过程中，细胞体像轮子一样旋转的机制却一直是个谜。此前的研究虽然发现应力纤维（由肌动蛋白和肌球蛋白组成，actomyosin）与细胞迁移相关，但应力纤维和细胞体旋转之间究竟存在怎样的联系，始终没有明确答案。而且，研究应力纤维旋转机制时，还面临着一个棘手的难题：很难将其与前端由肌动蛋白聚合引起的边缘扩张机制完全分开研究，因为抑制肌动蛋白聚合，不仅会让前端扩张停止，还会使应力纤维解聚，这就像一团乱麻，让研究人员难以理清头绪。
为了揭开这个谜团，日本山口大学（Department of Biology, Yamaguchi University）的研究人员展开了一项极具创新性的研究。他们另辟蹊径，构建了一种玩具机械机器人，通过模拟角质细胞细胞体的 “变形”，来探索细胞体旋转的奥秘。研究人员发现，应力纤维的线性收缩是细胞体旋转的驱动力。当应力纤维收缩时，会使细胞体发生变形，变形后的细胞体就像一个小小的 “大力士”，会推挤底物（substrate），从而产生使细胞体旋转的扭矩（torque）。这一发现意义重大，不仅让我们对细胞迁移的机制有了更深入的理解，还为仿生软机器人的设计提供了全新的思路，就像是为未来的科技发展点亮了一盏新的明灯。该研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》杂志上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是共聚焦显微镜（confocal microscopy）技术，它就像微观世界的 “超级放大镜”，能够让研究人员清晰地观察到细胞内部应力纤维、细胞核等结构的动态变化。其次是牵引力测量技术，通过测量细胞或机器人在底物上产生的牵引力，研究人员可以分析其运动原理。此外，研究人员还构建了数学模型，对机器人的运动进行模拟分析，从理论层面深入探究细胞体旋转的机制。
下面来具体看看研究结果。在 “使用玩具机器人重现细胞体旋转” 方面，研究人员观察到在迁移的角质细胞中，应力纤维围绕细胞核呈特定排列。为了探究应力纤维的线性动力学是否能转化为细胞体的旋转，他们构建了模拟细胞体的玩具机器人。给嵌入在软硅胶凝胶中的形状记忆合金线圈通电流后，线圈收缩，凝胶发生变形，机器人在丙烯酸基板上滚动。通过一系列实验，发现线圈收缩与凝胶旋转之间存在高度相关性，而且该机器人的牵引力分布与迁移的角质细胞相似，这表明玩具机器人能准确模拟角质细胞应力纤维的旋转。
“玩具机器人旋转的形状和运动分析” 部分，研究人员对机器人旋转的原因进行了深入探究。他们考虑了两种可能性：质心位移和凝胶变形推挤底物。通过实验发现，质心位移并不会导致机器人旋转，而当机器人在基板边缘，推挤力无法传递到基板时，机器人不会旋转而是掉落，这表明推挤底物才是机器人旋转的真正原因。研究人员还通过在弹性基板上放置机器人，观察到机器人收缩线圈时，基板出现压痕，进一步证实了推挤力的存在。
“角质细胞细胞体推挤底物影响旋转” 中，研究人员推测角质细胞可能通过类似机制实现细胞体旋转。他们在软底物上培养角质细胞，发现应力纤维不再旋转，且底物在细胞体两端出现压痕，而在普通盖玻片上，细胞体则会旋转。这表明角质细胞细胞体旋转需要应力纤维收缩在细胞体两端产生推挤力。
“迁移角质细胞中细胞核和应力纤维的旋转”，研究人员利用共聚焦显微镜观察发现，细胞核与应力纤维同向旋转，且细胞核旋转速度比应力纤维稍慢。用 blebbistatin 处理细胞后，应力纤维解聚，细胞核旋转速度显著下降，这表明应力纤维旋转是细胞核旋转的驱动力。
“Con A 斑点和应力纤维在迁移角质细胞中的旋转”，研究人员通过染色和共聚焦显微镜观察，发现 Con A 斑点的旋转速度比应力纤维慢，且在应力纤维解聚后，Con A 斑点的旋转速度大幅降低，这表明应力纤维旋转是 Con A 斑点旋转的驱动力，但可能不是唯一驱动力。
“应力纤维的顺序旋转” 方面，研究人员通过数学模型和构建多线圈机器人实验，发现多线圈顺序收缩能使机器人连续旋转和前进，由此推测在迁移的角质细胞中，应力纤维可能也存在类似的顺序变化过程。
研究结论和讨论部分，该研究成功揭示了应力纤维线性收缩驱动角质细胞细胞体旋转的机制。这一发现不仅为理解细胞迁移机制提供了关键线索，还为其他爬行细胞迁移研究提供了新的思路和方法。在未来，有望基于这一机制设计出更先进的仿生软机器人，应用于医疗、救援等多个领域。同时，研究中发现的细胞体旋转机制，也可能为相关疾病的研究和治疗提供新的方向，比如在癌症转移研究中，或许能从细胞迁移机制的新认识中找到抑制癌细胞扩散的新方法。总之，这项研究为生命科学和材料科学的交叉领域开辟了新的研究方向，具有重要的理论和实践意义。
