癌細胞的轉(zhuǎn)移會使癌癥難以控制，對患者產(chǎn)生致命的危害。因此，癌轉(zhuǎn)移一直是癌癥研究的重中之重。
生物學家們曾經(jīng)認為，癌細胞在機體中的擴散是一個漫無目的的緩慢過程，就像一個醉漢那樣無法一直走直線，他們將這一過程稱為隨機游走（random walk）。不過 Johns Hopkins 大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種隨機游走模型只是癌細胞在二維平面（培養(yǎng)皿）上的運動方式，并不適用于機體內(nèi)的三維空間。為此他們提出了一個新的計算模型，以便更好的展現(xiàn)細胞在 3D 環(huán)境中的遷移行為。
這項研究發(fā)表在美國國家科學院院刊《PNAS》雜志上，領導這項研究的是Johns Hopkins大學的 Denis Wirtz 教授。這篇文章非常重要，因為它的結論可以幫助研究癌癥擴散的人們獲得更為準確的結果。
Wirtz 介紹道，這項研究強調(diào)了在三維環(huán)境中研究癌細胞的重要性。他的實驗團隊就在之前的研究中指出，細胞在 2D 和 3D 環(huán)境下存在行為差異，而這影響了癌癥在機體內(nèi)的遷移。
“從原發(fā)瘤脫離的癌細胞會尋找血管和淋巴結，以便轉(zhuǎn)移到機體的其他器官，” Wirtz 說。“長期以來，人們一直相信這些細胞通過隨機游走到達血管。但我們在研究中發(fā)現(xiàn)，事實并非如此。我們看到這些細胞的運動更有方向性，其移動軌跡幾乎呈直線。這種移動方式能讓癌細胞更有效的到達血管，是癌細胞擴散的有效途徑。”
他補充道，這一發(fā)現(xiàn)為那些研究癌轉(zhuǎn)移的人們帶來了關鍵性的啟示。“這意味著，上述癌細胞離開結締組織的時間比之前的預期更短，” Wirtz 說。
Pei-Hsun Wu 和 Anjil Giri 是這篇文章的共同第一作者。 Wu 介紹道，持續(xù)性隨機游走模型（Persistent Random Walk）是根據(jù)細胞在培養(yǎng)皿中的運動建立的。這一模型現(xiàn)在也被用于 3D 細胞實驗，但這樣的結果是有問題的。
“因為該模型很簡便，目前 2D 和 3D 實驗都在使用它，” Wu 說。“但這一模型實際上并不適合 3D 細胞研究。我們提出的新數(shù)學模型，不論在 2D 還是 3D 實驗中都更加好用。”
“與 2D 平面上的移動相比，細胞在 3D 環(huán)境下的移動更具方向性，” Giri說。“不可預測的隨機游走模型并不適用于 3D 環(huán)境。”
研究團隊希望研究癌轉(zhuǎn)移的其他科學家們，能夠盡快將他們的數(shù)學模型利用起來。盡管這項研究中使用的是纖維肉瘤癌細胞，不過研究人員指出新模型也可以用來研究其他類型的細胞。例如，人們可以在新模型的基礎上，理解機體內(nèi)那些對抗感染和加速傷口愈合的細胞。
Three-dimensional cell migration does not follow a random walk
Cell migration through 3D extracellular matrices is critical to the normal development of tissues and organs and in disease processes, yet adequate analytical tools to characterize 3D migration are lacking. Here, we quantified the migration patterns of individual fibrosarcoma cells on 2D substrates and in 3D collagen matrices and found that 3D migration does not follow a random walk. Both 2D and 3D migration features a non-Gaussian, exponential mean cell velocity distribution, which we show is primarily a result of cell-to-cell variations. Unlike in the 2D case, 3D cell migration is anisotropic: velocity profiles display different speed and self-correlation processes in different directions, rendering the classical persistent random walk (PRW) model of cell migration inadequate. By incorporating cell heterogeneity and local anisotropy to the PRW model, we predict 3D cell motility over a wide range of matrix densities, which identifies density-independent emerging migratory properties. This analysis also reveals the unexpected robust relation between cell speed and persistence of migration over a wide range of matrix densities.
