E-cadherin介导的机械力传导在电场促细胞集群迁移和趋电波形成中的作用研究

Cells migrate directionally in physiological electric fields, and cell clusters are found to be more sensitive to the guidance of physiological electric fields than single cells. E-cadherin, as an important cell-cell adhesion molecule that mediates cellular force transmission, plays a vital role in maintaining the hypersensitivity, but the underlying mechanism is unknown. In our previous work, with cell patterning and particle imaging velocimetry, we established an experimental model for quantitative research and discovered that physiological electric fields can direct large square cell clusters migration directionally as a coherent unite and induce a novel galvanotaxis wave across the cell cluster. The galvanotaxis wave quantitively reflects how cell cluster response to physiological electric fields as a unite, thus, we plan to take the galvanotaxis wave as the key breakthrough, and dissect the mechanism of hypersensitivity of cell cluster to electric fields guidance by three steps: 1) to investigate the influence of the size and shape of cell clusters on the emerging of galvanotaxis wave; 2) to adopt cell traction microscope to draw the cell traction force map of the cell cluster corresponding to the galvanotaxis wave; 3) to elucidate the role of E-cadherin-mediated force transmission in the formation of galvanotaxis waves and hypersensitivity of cell cluster to physiological electric fields guidance by combining techniques of molecular biology and mathematical modeling. We believe our project will provide a new biophysical mechanism for electric field-guided collective cell migration, and pave the way for the clinical application of physiological electric fields.

生理性电场能引导细胞定向迁移，和单细胞相比，细胞集群对生理性电场的引导更敏感。研究发现，细胞粘附分子E-cadherin是维持这种高敏性的关键分子，但作为细胞间力传导的重要分子，E-cadherin在细胞集群高敏性响应生理性电场的作用机制不清楚。我们前期研究整合微加工模具、细胞集群迁移可视化定量分析方法建立了定量研究的实验模型，发现生理性电场能引导方形细胞集群整体定向迁移并产生趋电波。我们认为，该趋电波反映了细胞集群对电场的整合，因此，本项目拟以该趋电波为关键突破口，先探讨细胞集群大小和形状对趋电波的影响；接着利用细胞牵引力显微镜技术，绘制趋电波对应的细胞力学图谱；最后结合分子生物学技术、数学建模，分析E-cadherin介导的力的传导在趋电波形成和细胞集群对电场高敏性中的作用。本项目研究将为电场引导细胞集群提供新的生物物理机制，为生理性电场的应用奠定基础。

生理性电场能引导细胞定向迁移，和单细胞相比，细胞集群对生理性电场的引导更敏感。E-cadherin等细胞相互作用分子在细胞集群趋电迁移中扮演重要角色。然而这些细胞间相互作用是如何改变细胞集群对电场引导的，目前还不清楚。本项目巧妙结合微加工模具控制细胞集群几何形态、可视化定量分析集群迁移技术、数学建模解释集群迁移动态过程、微流体芯片控制电场分布四大多学科技术，分四步研究细胞间相互作用对电场引导的细胞集群迁移的影响：一、采用微加工模具将人皮肤角质细胞集群控制成大小均一的正方形，然后在特定方向外加均一电场，结果显示，电场能引导细胞集群定向迁移，并形成由阳极向阴极传递的趋电波。进一步研究分析发现细胞集群的形状与大小对细胞集群趋电性影响不显著，趋电波按其传递速率的快慢可以分为三相，这三相分别反映了细胞对电场引导的延迟反应、集群内细胞对电场反应的同时性、集群反方向边缘信号与电场信号的整合。二、减弱E-cadherin等细胞间连接，细胞集群仍然能发生定向迁移，但是细胞集群容易离散，且趋电波形态发生改变。三、在细胞实验的基础上，我们建立了基于颗粒的罗盘数学模型，在假设细胞集群内细胞整合方向信号遵循矢量叠加的基本原则的基础，成功模拟出与细胞实验结果相吻合的趋电波，证明了数学建模在研究电引导细胞集群迁移这个动态复杂系统中的可行性。三、我们研发了真空吸贴式多电极微流体芯片制造可控的不同图形的不均一电场。实验证明细胞集群能感受并响应局部电场强度及电场引导，我们的研究首次揭示了集群内细胞能沿着弧形电场线定向迁移。此外，我们还研究发现细胞分泌的外泌体颗粒可以在电场中向正极极移动。我们的研究为电信号控制细胞、组织定向迁移的转化医学应用奠定了基础。