不同強(qiáng)度外源性電場對細(xì)胞遷移特征的影響

郭曉慧，施利民

（云南師范大學(xué)；云南 昆明 650000）

不同強(qiáng)度外源性電場對細(xì)胞遷移特征的影響

郭曉慧，施利民

（云南師范大學(xué)；云南 昆明 650000）

目的 探討電信號對細(xì)胞遷移的影響，確定細(xì)胞趨電性性質(zhì)以及趨電性遷移的最佳電場強(qiáng)度。方法 細(xì)胞饑餓5 h后分別暴露于0、2、4、6、8、10、12 v/cm 7個電場強(qiáng)度下，分析其遷移特征。結(jié)果 細(xì)胞朝電場負(fù)極遷移，趨電指數(shù)隨電壓強(qiáng)度的加大而增加，12 v/cm電場強(qiáng)度刺激下，細(xì)胞趨電性指數(shù)最大，為-0.89 s，但細(xì)胞遷移速度不受電場強(qiáng)度的影響。結(jié)論 盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞趨電性性質(zhì)良好，8~12 v/cm的外源性電場強(qiáng)度是研究其趨電性最佳場強(qiáng)范圍。

盤基網(wǎng)柄菌；外源性電場；細(xì)胞遷移

細(xì)胞響應(yīng)電勢梯度信號并呈朝向或背離電極某一方向的趨向性運(yùn)動稱為細(xì)胞的趨電性（electrotaxis）[1]，電場作用下細(xì)胞遷移屬于定向遷移。細(xì)胞定向遷移是有機(jī)體完成若干重要生理過程的前提條件，如細(xì)胞有絲分裂、胚胎發(fā)育、傷口愈合、組織再生、免疫應(yīng)答等正常生理活動[2]。細(xì)胞遷移方向的異常則會導(dǎo)致機(jī)體自身免疫反應(yīng)、發(fā)育畸形及腫瘤細(xì)胞的發(fā)生、轉(zhuǎn)移等危害有機(jī)體的病理過程[3]。

利用細(xì)胞趨電性對疾病的早期診斷已經(jīng)應(yīng)用到臨床[4]，如：臨床骨損傷康復(fù)治療[5]、治療難愈性皮膚傷口[6]等。電信號指導(dǎo)下的細(xì)胞定向遷移除應(yīng)用于損傷修復(fù)外，在控制和傳播癌細(xì)胞方面亦具有重要作用。研究顯示，在同樣強(qiáng)度電場下轉(zhuǎn)移性高的癌細(xì)胞定向遷移反應(yīng)強(qiáng)于轉(zhuǎn)移性低的癌細(xì)胞[7]。細(xì)胞趨電性遷移機(jī)制一直是醫(yī)學(xué)界和生命科界研究的熱點(diǎn)。但活體動物組織器官內(nèi)產(chǎn)生的電流強(qiáng)度較弱難以測得，并且活體實(shí)驗(yàn)探究電信號作用機(jī)制經(jīng)常受到一些客觀條件的限制。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)可通過特定的實(shí)驗(yàn)裝置施加外源性電信號，刺激能夠感受電信號的細(xì)胞，以觀察細(xì)胞各種反應(yīng)，進(jìn)而揭示細(xì)胞趨電性遷移的機(jī)制。經(jīng)過篩選對比各類細(xì)胞的趨電性研究優(yōu)勢，盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞越來越多的用于細(xì)胞的趨電性研究[8]。但其在實(shí)驗(yàn)室條件下的趨電性指數(shù)以及運(yùn)動特征還需進(jìn)一步確認(rèn)。本實(shí)驗(yàn)通過施加外源性電場，觀察不同強(qiáng)度的電信號刺激下盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞的運(yùn)動特征和趨電性指數(shù)，確定其趨電性，選取最佳電場強(qiáng)度，為后續(xù)試驗(yàn)打好基礎(chǔ)。現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 野生型（wild type，WT）盤基網(wǎng)柄菌AX2菌株。

1.2 試驗(yàn)方法 選取生長于對數(shù)期細(xì)胞饑餓處理[9]5小時后，取適量細(xì)胞接種于自制的趨電小室內(nèi)（圖1）[10]，待細(xì)胞完全貼壁，小室兩側(cè)接上電極。在顯微鏡下采集不同電壓梯度下的細(xì)胞運(yùn)動軌跡圖像。利用ImageJ 1.04軟件中的MTrackJ[11]細(xì)胞軌跡追蹤插件分析盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞各運(yùn)動軌跡參數(shù)。由此計(jì)算細(xì)胞軌跡速度（trajectory speed）、位移速度（displacement speed）、細(xì)胞運(yùn)動持續(xù)性（persistency）、趨電性指數(shù)（directedness）以及細(xì)胞的分散范圍。

圖1 細(xì)胞趨電小室結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 16.0軟件，所獲數(shù)據(jù)采用方差分析、t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

施加不同強(qiáng)度的外源性直流電場后細(xì)胞的分散區(qū)域，P＜0.05，無顯著性差異；實(shí)驗(yàn)組與對照組細(xì)胞遷移趨向性有顯著不同，對照組細(xì)胞運(yùn)動方向是隨機(jī)的，外源性電場強(qiáng)度越大，實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞朝向電場負(fù)極遷移趨勢越明顯，當(dāng)電場強(qiáng)度大于8 v/cm時細(xì)胞的運(yùn)動方向幾乎全部朝向電場的負(fù)極（圖2）；選取10 v/cm場強(qiáng)反轉(zhuǎn)電極，細(xì)胞的遷移方向由小室左側(cè)轉(zhuǎn)向右側(cè)，依然朝向電場的負(fù)極。

圖2 不同電場強(qiáng)度刺激下細(xì)胞遷移軌跡圖

細(xì)胞軌跡速度各實(shí)驗(yàn)組與對照相比較，P＞0.05,無顯著性差異；細(xì)胞位移速度在電場強(qiáng)度大于2 v/cm時開始逐漸增加，2 v/cm電場刺激細(xì)胞位移速度與對照組無顯著性差異，其余各實(shí)驗(yàn)組與對照組均有顯著性或極顯著性差異；細(xì)胞運(yùn)動方向持續(xù)性隨電場強(qiáng)度的加大而增加，實(shí)驗(yàn)組2 v/cm、4 v/cm兩組比較，P＜0.05，有顯著性差異，其余各實(shí)驗(yàn)組與對照組均有極顯著性差異，P＜0.01；隨電壓的增加細(xì)胞的趨電指數(shù)加大，施加2v/cm的電壓，細(xì)胞的趨電指數(shù)為-0.19 s，P＜0.05，與對照組有顯著性差異，其余實(shí)驗(yàn)組與對照組均有非常顯著性差異，P＜0.01；場強(qiáng)10v/ cm，反轉(zhuǎn)電場方向兩實(shí)驗(yàn)組間相比較細(xì)胞各遷移特征參數(shù)均無差異。見表1。

表1 對照組與各實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞遷移特征比較

表1 對照組與各實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞遷移特征比較

*P＜0.05，**P＜0.01。

電場強(qiáng)度（v/cm） 軌跡速度（μ m/min） 位移速度（μ m/min） 運(yùn)動方向持續(xù)性 趨電性0 6.69±0.11 3.02±0.09 0.45±0.01 -0.08±0.01 2 6.31±0.11 3.65±0.10 0.58±0.01* -0.19±0.01*7.01±0.10 4.22±0.08* 0.60±0.01* -0.49±0.01**6 6.85±0.12 4.51±0.10** 0.66±0.01** -0.58±0.01**8 6.74±0.12 4.29±0.09** 0.64±0.01** -0.74±0.01**10 7.11±0.10 4.61±0.09** 0.65±0.01** -0.82±0.01**12 6.78±0.11 4.52±0.09** 0.67±0.01** -0.89±0.01**10(電場方向反轉(zhuǎn)) 7.21±0.10 4.55±0.10** 0.63±0.01** 0.85±0.01**4

3 討論

盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞是生活在土壤中的真核原生生物，隸屬真菌界黏菌亞界聚粘霉菌綱，具有趨電性遷移的特性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盤基網(wǎng)柄菌所需的培養(yǎng)條件簡單，成活率高，培養(yǎng)周期短，電場強(qiáng)度為2 v/cm，細(xì)胞即表現(xiàn)出趨電遷移的特性，其感受電信號靈敏度較酵母細(xì)胞、人類和哺乳動物細(xì)胞高，是理想的研究細(xì)胞趨電性遷移的材料。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強(qiáng)度大于12 v/cm，細(xì)胞有漂移和死亡現(xiàn)象，12 v/cm場強(qiáng)是細(xì)胞耐受電壓強(qiáng)度上限，電壓強(qiáng)度超過8 v/cm時，細(xì)胞完全朝向電場負(fù)極遷移。綜合分析細(xì)胞遷移參數(shù)，確定盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞趨電遷移最佳場強(qiáng)范圍8~12 v/cm。

電信號對細(xì)胞各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)具有不同的影響。細(xì)胞的軌跡速度反映其實(shí)際運(yùn)動速度，電信號對其沒有影響，運(yùn)動方向持續(xù)性、細(xì)胞位移速度、趨電性隨著電場強(qiáng)度加強(qiáng)而增加。說明盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞的運(yùn)動速度不受電信號的影響，推測電信號只調(diào)控細(xì)胞的遷移方向，運(yùn)動速度是其生理狀態(tài)的體現(xiàn)，電信號對細(xì)胞正常生理狀態(tài)良好。

盤基網(wǎng)柄菌細(xì)胞生活史包括單細(xì)胞和多細(xì)胞時期兩個時期，除用于研究細(xì)胞趨電性遷移機(jī)制，其多細(xì)胞生活史可用于研究細(xì)胞的趨化性。趨化性遷移和趨電性遷移同屬于細(xì)胞定向遷移，以信號通路為切入點(diǎn)研究細(xì)胞遷移發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞趨電性和趨化性存在兩條相同的信號傳導(dǎo)通路[12]，通常認(rèn)為趨電性遷移等同于趨化性遷移。阻斷與趨化性相同的信號通路，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞依然存在趨電性特性，說明二者遷移機(jī)制存在差異[13]。但有人沒有對比分析細(xì)胞趨化性遷移和趨電性遷移速度差異。盤基網(wǎng)柄菌趨化性運(yùn)動速度隨著化學(xué)誘導(dǎo)物濃度的增加而增加[14]，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電信號對細(xì)胞運(yùn)動速度沒有影響，不改變其生理狀態(tài)，二者同樣存在差異。當(dāng)前趨化性研究焦點(diǎn)已從信號通路系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞運(yùn)動器官偽足[15]，趨電性遷移機(jī)制研究在此方面還是空白，然而偽足延伸的方向決定了其運(yùn)動方向，受其生理狀態(tài)的影響，電信號刺激下細(xì)胞偽足參數(shù)是接下來研究分析的重點(diǎn)。

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The Effect of Different Electrical Signals on Cell Migration

Guo Xiaohui,Shi Limin

(Yunnan Normal University,Yunnan Kunming 650000)

ObjectiveWe quantifiably studied the characters of migration of Dictyostelium discoideum treating by adscititious electric fields to discuss the influences of different experimental condition on migration and then determine the best electric field strength.MethodsD discoideum starved for 5 hours were applied to 0,2,4,6,8,10,12 v/cm electric field,respectively.Then,the characteristics of cell migration were analyzed.ResultsThe results showed that the cells migration toward the cathode of the electric field and the directedness increased with the voltage.The largest directedness is-0.89s when cells were treated with 12 v/cm electric field.However the cells migration speed was not influenced signifi?cantly by electric field strength.ConclusionD discoideum have good electrotaxis,the electrical field intensity range is 8 to12 v/cm.

Dictyostelium discoideum；exdogenous electric fields；cell migration

TM331.14

A

1008-4118（2016）03-0001-04

10.3969/j.issn.1008-4118.2016.03.001

2016-06-21

郭曉慧（1987.03-），漢，山東鄆城人。現(xiàn)工作單位：菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校，研究方向：細(xì)胞遷移及創(chuàng)傷修復(fù)。

施利民。Email:shilm281@gmail.com。