从胚胎期到晚年，细胞经常进行不可思议的旅程，有时甚至会穿行整个生物体。它们通过趋化性到达目的地，追随引导它们到达目标的信号，就像一条化学的黄色砖路。问题在于，将细胞吸引到目标的化学物质的不同浓度梯度只在短距离内有效。是什么引导它们在体内进行更长距离的丘陵和山谷之旅一直不清楚。
8月27日发表在《科学》杂志上的研究结果表明，两种细胞——一种是生活在土壤中的阿米巴原虫，另一种是小鼠癌细胞系——如何完成这些看似不可能的旅程。关键是细胞不是沿着预先存在的梯度工作，而是通过分解遇到的化学引诱物来自己创建一个梯度。就像在走出迷宫时收集绳子一样，它们身后留下的无化学物质路径使它们能够继续结合并追随前方的引导。
以黑色素瘤细胞为例，它是最容易转移的肿瘤细胞之一。一旦它们在肿瘤局部分解了一种名为溶血磷脂酸的化学引诱剂，它们就会朝着远离肿瘤的较高分子浓度区域移动。细胞开辟了一条进入血液的路径，血液中溶血磷脂酸的分布相对均匀。黑色素瘤细胞在行进过程中分解化学物质，在其前方留下高浓度的化学物质，它们像吃豆人一样追随并消耗这些物质，而在身后留下低浓度。
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研究团队证实了这种策略在阿米巴原虫和哺乳动物细胞系中的应用，表明从事长距离定向运动的细胞之间存在共性。德国汉堡-埃彭多夫大学医学中心生物化学和分子细胞生物学系的教授和研究组负责人巴勃罗·萨埃斯（Pablo Sáez）表示，这一结果“非常有趣，表明自发产生的梯度是指导细胞群进行长距离定向迁移的通用机制”，他没有参与这项工作。他补充说，结果突出了研究人员使用的一些技术的有效性，包括使用数学建模来预测细胞可能如何表现，以及使用迷宫来测试这些预测。
事实上，苏格兰比森癌症研究所的博士后研究员卢克·特威迪（Luke Tweedy）和他的同事认为，在生物体复杂的地形中蜿蜒前进可能很像在迷宫中导航。为了验证他们的想法，他们使用了两种细胞：阿米巴原虫Dictyostelium discoideum，简称“Dicty”，以及小鼠胰腺癌细胞。Dicty细胞尤其令人感兴趣，因为它们擅长在行进过程中分解化学黄色砖路，从而始终保持正确的路径在它们前方。凭借这种在移动过程中“收集绳子”的倾向，Dicty是解决迷宫的典范候选者——正如特威迪所说，它是一位“趋化性神童”。
特威迪和他的同事发现，Dicty不负众望，在一个小时内迅速解决了复杂的迷宫，而这可能需要行动迟缓的胰腺癌细胞花费数天时间。研究人员在许多不同的迷宫中测试了细胞，有些迷宫的死胡同较短，有些则较长，还有不同的岔路。当细胞面临死胡同和真路径之间的选择时，少数任性的细胞会消耗掉所有困在死胡同中的化学引诱剂，而其余细胞则会定向到另一个仍然充满诱人分子的岔路。
研究人员使用的最令人难忘的测试是他们以伦敦附近汉普顿宫著名的迷宫为原型设计的测试。特威迪说，他们选择它是为了“引人注目”和“激发想象力”。神童原生生物Dicty不仅解决了这个迷宫，还设法利用其自发产生梯度的技能找到了一条捷径。
研究人员还引入了计算模型来预测细胞行为，这可能对涉及细胞迁移的人类疾病产生影响。一个例子是人类癌细胞，它与阿米巴原虫有一些共同之处——无论这种联系是否涉及免疫细胞的正常迁移或转移性癌细胞的病理旅程。“它们使用相同的基本迁移机制，[其中]受体检测引诱剂并引导细胞骨架移动细胞。”
事实上，相似之处非常强大，以至于特威迪看到了弥合阿米巴原虫-人类细胞差距的许多方法，包括将解决迷宫的想法应用于预测胶质母细胞瘤癌细胞的路径。
这些结果还可以为哺乳动物胚胎中的一些早期过程提供一个难得的窗口。最终在性腺中安家的细胞在胚胎发育早期远离其目标。这些所谓的生殖细胞必须越过胚胎的丘陵和山谷才能到达适当的目的地。如果Dicty或速度慢得多的胰腺癌细胞的行为是普遍的，那么这些生殖细胞可能会使用类似的策略到达未来的性腺，并避免走错路，例如走向肠道。这意味着构建复杂的生物体有时意味着细胞只能通过自己开辟道路才能到达目的地。
本文的标题为“迷宫中的细胞”的版本已改编收录在2020年11月刊的《大众科学》杂志中。