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细胞迁移在生命过程中至关重要，电场（EF）可调控细胞迁移，但细胞如何响应 EF 刺激尚不明确。研究人员构建了细胞趋电性（electrotaxis）的机械模型，发现不同细胞因膜蛋白等差异呈现不同趋电方向，该研究对肿瘤和组织工程意义重大。
在生命的奇妙旅程中，细胞迁移扮演着极为关键的角色，它参与胚胎发育、伤口愈合，甚至肿瘤的侵袭转移。电场（EF）作为一种外部信号，为控制细胞迁移提供了新的途径。然而，目前仍存在诸多谜团：为何有些细胞在电场中向阳极迁移，而有些则向阴极移动？细胞又是如何感知电场并做出反应的？是否存在通用机制解释不同细胞的趋电行为？这些问题促使科研人员开启探索之旅。
来自西班牙加泰罗尼亚理工大学（Universitat Politècnica de Catalunya）等机构的研究人员针对这些问题展开深入研究。他们构建了一个计算模型，整合细胞迁移、膜受体电迁移和信号通路等多方面因素。研究发现，细胞表面带电膜蛋白（CMPs）在电场作用下发生极化，进而引发下游信号通路的变化，最终导致细胞的趋电迁移。不同细胞的 zeta 电位差异会影响 CMPs 的迁移方向，从而解释了不同细胞趋电方向不同的现象。此外，研究还确定了一些参与细胞趋电迁移的关键 CMPs 及其相关信号通路。这一研究成果对于理解细胞迁移机制、控制肿瘤细胞侵袭和促进组织再生具有重要意义，相关论文发表在《iScience》杂志上。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是构建数学模型，通过建立一维趋电模型，耦合 CMPs 极化、细胞内信号传导和活性凝胶模型，计算细胞迁移速度；二是进行蛋白质组分析，利用斑马鱼角膜细胞蛋白质组数据，筛选出可能参与趋电迁移的 CMPs，并分析其物理性质和信号通路。
下面来看具体的研究结果：
- CMPs 和细胞内信号极化解释趋电性：研究人员建立一维计算模型，以 EGFR 为例，在 120mV/mm 的电场刺激下，EGFR 因电渗流和电泳力积累在阴极，激活 PI3K 通路，进而激活 Rac1 和 Cdc42，促进肌动蛋白聚合，同时使 RhoA 和肌球蛋白活性极化，产生向后的逆行流，最终细胞向阴极迁移，速度为 0.014μm/s。
- zeta 电位差异解释相反的趋电方向：研究表明，不同 CMPs 因 zeta 电位差异，在电场中的迁移方向不同。当 zeta 电位差（ζ1?ζ2）大于 0 时，CMPs 向阴极积累；小于 0 时，向阳极积累。细胞迁移速度与 zeta 电位差和电场强度相关，zeta 电位差和电场强度越大，细胞迁移速度越快。
- 追踪负责趋电的 CMPs：通过对斑马鱼角膜细胞蛋白质组的分析，研究人员发现 62% 的跨膜蛋白向阳极重新分布，62.6% 向阴极积累的跨膜蛋白带正电荷。他们还确定了一些参与下游信号传导的蛋白，如 alpha - 2A 肾上腺素能受体、酪氨酸蛋白激酶 STYK1 等，这些蛋白分别参与 EGFR 反式激活 / 金属蛋白酶通路、PI3K 信号通路等。
- 细胞内信号可解释相反的迁移方向：研究人员采用更复杂的信号模型，包含 Rac1、Cdc42、RhoA 等小 GTP 酶以及 PI3K、PI5K 等激酶。结果显示，当激活 Rac1 和 Cdc42 的 CMPs 向阳极极化时，细胞向阳极迁移；激活强度和反馈回路会影响细胞迁移方向和速度，Cdc42 的激活在细胞极化中起主导作用。
- 通过细胞操作控制趋电：研究发现，改变细胞外环境或信号通路可调控细胞趋电行为。例如，降低介质粘度可减少电渗流，改变 CMPs 电荷量可改变其迁移方向；抑制 PI3K 表达可降低细胞迁移速度，且不同细胞对 PI3K 抑制的反应不同，这取决于刺激强度和反馈回路。
研究结论表明，该模型揭示了细胞趋电的机制，zeta 电位在 CMPs 对电场的响应中起关键作用，不同 CMPs 的极化和下游信号通路的竞争决定细胞的趋电方向。然而，研究也存在一定局限性，如未考虑电场对电压门控离子通道的影响、CMPs 聚集成筏的情况以及采用一维模型等。尽管如此，这项研究为后续研究提供了理论基础和研究方向，未来可进一步开展详细的蛋白质组分析，探究不同细胞系中信号通路的极化情况，优化计算模型，从而更深入地理解细胞趋电行为，为癌症治疗、伤口愈合和组织工程等领域提供更有效的策略。
