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Basic Scientific Research
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细胞群体解堵(Jamming–unjamming transition):看起来像EMT,却是一个研究还很少的方向
探索生命空间,助力基础研究

PREFACE 00

前言

做上皮细胞迁移研究时,只要看到细胞从规则的铺路石样逐渐拉长,运动速度增加,细胞排列开始紊乱,很多课题会很自然地往上皮—间质转化(EMT)上解释。

于是接下来检测E-cadherin、N-cadherin、Vimentin、Snail、Slug,再研究TGF-β/Smad或者其他EMT相关通路。

但有一类细胞运动并不完全符合这套逻辑。

这些细胞依然彼此连接,整个上皮层也没有解体,E-cadherin甚至可以继续存在,可是原本相对固定的细胞突然开始集体移动。细胞不断改变形状,原来的邻居关系开始重排,整块组织从相对稳定的“固态样”状态逐渐变成可以流动的“流体样”状态。

这种变化被称为jamming–unjamming transition,简称JUT。

如果用比较直观的中文理解,可以把它看成“细胞群体堵塞—解堵转换”。

这里的“堵”并不是某条血管被堵住了,也不是细胞把某个通道塞住,而是一个高度密集的细胞群体中,每个细胞都受到周围邻居限制,无法轻易交换位置。整个组织虽然由活细胞构成,却表现出类似固体的稳定性。

进入unjammed状态以后,细胞仍然挤在一起,却开始有能力彼此换位和整体流动。

这也是JUT真正有意思的地方。

细胞开始迁移,并不一定需要先彻底改变身份。组织可能先发生物理状态转换,随后才出现更加明显的转录、代谢甚至EMT变化。

对于基础科研来说,这给很多已经相对成熟的研究方向增加了一个新的观察层级。

哮喘气道上皮为什么在没有完全EMT时就开始异常重排?肿瘤细胞为什么仍然保持细胞连接,却能够整群侵袭?创面愈合时,上皮为什么能迅速从稳定屏障变成高度迁移状态?慢性损伤以后,又为什么迟迟回不到原来的稳定结构?

这些问题,都可以从JUT重新理解。

导读

一、什么是细胞群体jamming和unjamming

二、为什么活细胞组成的组织也会表现得像固体

三、JUT真正发生改变的是哪一层生物学

四、JUT为什么看起来很像EMT

五、JUT和EMT应该怎样真正区分

六、部分EMT和JUT为什么尤其容易混在一起

七、哪些细胞最适合研究JUT

八、哮喘为什么是JUT目前最经典的疾病方向

九、其他慢性气道疾病还能怎样研究JUT

十、肿瘤为什么是JUT最值得继续扩展的方向之一

十一、JUT怎样解释“保持上皮特征的集体侵袭”

十二、创伤修复为什么天然包含unjamming和重新jamming

十三、慢性创面可以从JUT提出什么新问题

十四、纤维化和组织硬化为什么也可能影响JUT

十五、屏障疾病为什么值得关注细胞群体是否进入异常流动态

十六、机械压力、基质硬度和组织几何怎样调控JUT

十七、细胞骨架和细胞连接在JUT中分别发挥什么作用

十八、研究JUT最重要的实验并不是Western blot

十九、怎样判断一个细胞群真正发生了unjamming

二十、细胞形状指数应该怎么用,3.81又代表什么

二十一、怎样证明细胞运动增加不是因为密度下降

二十二、怎样通过实验把JUT和EMT真正拆开

二十三、JUT研究目前最值得做哪些创新问题

二十四、JUT研究最常见的实验设计误区

二十五、一套完整的JUT研究路线应该怎么设计

二十六、博恩生物可以为JUT研究提供哪些实验支持

SECTION 01

01

什么是细胞群体jamming和unjamming

1、先从一群高度密集的细胞开始理解

单个上皮细胞当然具有迁移能力。

把细胞稀疏铺在培养皿里,每个细胞周围都有大量空白区域,它们很容易伸出伪足、改变方向并自由移动。

当细胞逐渐增殖,最终形成高度汇合的连续单层以后,情况会发生变化。

每个细胞周围都被其他细胞包围。

一个细胞想向左移动,左边的邻居需要先让开;它想向前伸长,前面的细胞又会限制它能够获得的空间。

细胞之间还存在黏附连接和机械张力。

当这些空间约束和细胞间作用达到一定程度后,单个细胞虽然仍具有主动运动能力,却很难真正离开原来的位置。

整个细胞群就进入了相对jammed的状态。

2、jammed状态更接近“组织被锁住了”

这个状态下,细胞并没有停止所有活动。

细胞骨架仍然在重塑,膜结构依然动态,细胞也会发生局部形变。

变化主要发生在更大的尺度。

长期观察后会发现,每个细胞仍然和原来的几个邻居待在一起,细胞中心位置移动很小,整个上皮层表现出明显稳定性。

这类状态很适合成熟屏障组织。

气道、肠道和其他上皮如果每天都大范围重新排列,很难维持稳定屏障。

3、unjamming意味着邻居关系开始真正变化

当组织进入unjammed状态以后,细胞形态会变得更加不规则,细胞运动速度增加,原本稳定的邻居关系开始重组。

细胞A过去一直挨着细胞B,经过一段时间后,两者逐渐分开,另一组细胞插入中间。

越来越多这种邻居交换累积起来以后,整个细胞层开始像一种黏稠流体一样产生整体流动。

所以JUT研究的核心并不只是“细胞跑快了”。

它更关心整个细胞群有没有失去原来的位置锁定。

SECTION 02

02

为什么活细胞组成的组织也会表现得像固体

这个概念最初容易让生物学研究者觉得有些反直觉。

细胞是柔软的,也会主动产生力,一群细胞为什么会出现类似固体和流体的状态差别?

原因在于,组织层面的性质并不等于单个细胞性质的简单相加。

一个上皮细胞同时受到细胞—细胞黏附、皮质张力、基底面牵引力和周围邻居空间约束。

它要真正改变位置,需要让自身变形,也需要迫使周围细胞重新排列。

这个过程需要克服一定的机械能量障碍。

当组织中的能量障碍较高时,细胞很难进行持续邻居交换,组织就保持稳定。

当细胞形态、黏附、收缩力或者主动运动发生改变后,这些障碍下降,细胞群逐渐获得重新排列能力。

因此JUT实际上研究的是一个比传统“单细胞迁移”更高的层级:

整个组织处于怎样的材料状态。

SECTION 03

03

JUT真正发生改变的是哪一层生物学

1、第一层变化是细胞位置稳定性

jammed状态中,每个细胞长期停留在一个相对固定区域。

进入unjammed状态以后,细胞开始不断离开原来的位置。

因此最基础的变化发生在细胞空间行为。

2、第二层变化是细胞形态

为了在高度密集的组织里移动,细胞需要变形。

正常规则的多边形逐渐拉长,细胞边界也会变得更加复杂。

因此shape index等几何参数开始具有研究价值。

3、第三层变化是细胞间力传递

细胞运动不再是单个细胞自己爬行。

一个细胞产生牵引后,会通过细胞连接把力传给周围细胞。

整块组织因此出现协调的速度场和运动波。

这也是为什么JUT最好从细胞群体尺度分析。

4、再往后才可能出现更深层细胞状态变化

持续unjamming以后,细胞可能进一步改变转录程序、代谢和细胞身份。

某些疾病中也可能逐渐出现partial EMT甚至更加完整的EMT。

所以JUT可以发生在这些分子改变之前,也可能和它们相互促进。

时间顺序正是这个方向很值得研究的地方。

SECTION 04

04

JUT为什么看起来很像EMT

从实验现象看,两者确实很容易混。

发生EMT以后,上皮细胞会逐渐拉长,迁移能力增强,细胞排列发生变化。

unjamming同样可以让细胞变得细长,并出现明显运动。

如果只拍一张固定时间点的显微图片,两者甚至可能非常相似。

传统划痕实验会进一步放大这种混淆。

细胞迁移增加以后,很多研究直接检测EMT Marker,然后把整个现象归到EMT。

但JUT提醒我们:

细胞运动增强可以来自两种不同层级的变化。

一种是细胞身份和表型逐渐转向间质状态。

另一种是细胞仍然保持相当多上皮特征,整个细胞群的物理状态已经发生改变。

这也是为什么JUT特别适合那些“迁移明显增强,但经典EMT并不完整”的课题。

SECTION 05

05

JUT和EMT应该怎样真正区分

1、先看细胞是不是仍然组成连续上皮

典型JUT过程中,细胞之间仍然保持较广泛接触。

整个上皮层仍然是连续的。

如果大量细胞已经彼此脱离,变成明显分散的梭形单细胞,再继续用JUT解释需要更加谨慎。

2、再看上皮身份有没有真正明显丢失

可以检测E-cadherin、EpCAM、细胞极性以及与具体细胞相关的上皮身份。

如果细胞运动已经明显增强,而这些上皮特征仍然相对保留,就非常值得进一步考虑JUT。

3、同步检测间质特征

Vimentin、N-cadherin、Fibronectin以及Snail、Slug、Twist等可以用于判断EMT程度。

重点不在于要求这些分子完全不变化。

更重要的是观察变化发生在什么时候。

4、时间顺序比一次终点检测更重要

例如机械刺激2小时后,细胞速度已经明显增加,邻居交换开始出现,shape index同步上升。

此时E-cadherin、Vimentin和Snail还基本没有明显变化。

到了24小时以后,部分EMT信号才逐渐出现。

这组结果比单纯“EMT Marker也变了”更有价值。

它提示群体物理状态改变可能发生得更早。

SECTION 06

06

部分EMT和JUT为什么尤其容易混在一起

现在很多研究已经不再把EMT理解成一个简单的“上皮完全变成间质”。

partial EMT本身就允许细胞同时保留部分上皮特征和部分间质能力。

这和JUT的表型会出现明显重叠。

因此单靠Marker很难把两者完全拆开。

更合适的区分方式,是看研究问题属于哪个层级。

partial EMT研究的是细胞身份处于什么中间状态。

JUT研究的是整个细胞群有没有从稳定状态进入可流动状态。

一个细胞群完全可以同时发生partial EMT和unjamming。

真正有创新价值的问题反而是:

哪一个先发生?

阻止其中一个以后,另一个还能不能继续?

如果抑制Snail以后partial EMT下降,但细胞群仍然保持明显运动和邻居交换,就提示unjamming具有一定独立性。

如果抑制某个机械通路后细胞重新进入稳定状态,而EMT Marker短时间内没有恢复,也能说明两类变化并非完全等价。

SECTION 07

07

哪些细胞最适合研究JUT

1、连续上皮细胞是目前最适合的体系

JUT最容易发生和被观察的对象,是能够形成高度汇合连续单层的上皮细胞。

气道上皮是目前研究最成熟的体系之一。

此外,肠上皮、乳腺上皮、肾小管上皮、角膜上皮和部分肿瘤上皮都具有理论和实验基础。

2、肿瘤细胞需要保留一定集体结构

如果某种肿瘤细胞天然就高度分散,主要采用单细胞迁移,JUT并不一定是最合适的研究概念。

更值得研究的是那些能够保持E-cadherin等连接、形成细胞团块或者集体侵袭的肿瘤。

例如部分乳腺癌、肺癌、胰腺癌和其他上皮来源肿瘤,都可能具有这样的研究入口。

3、内皮细胞也可以研究群体力学状态

内皮同样形成连续单层,也存在明显细胞—细胞连接和机械力响应。

在血流、炎症和血管重塑背景下,群体运动状态值得研究。

但现阶段JUT在经典上皮体系中的证据更加成熟。

如果准备把JUT引入新的细胞类型,最好先把动态运动和组织力学证据做扎实,再逐渐扩展概念。

SECTION 08

08

哮喘为什么是JUT目前最经典的疾病方向

1、气道上皮本来需要长期保持稳定

成熟气道上皮承担物理屏障、黏液清除和外界刺激防御。

在正常环境中,成熟以后细胞群应该逐渐进入比较稳定的状态。

2、哮喘来源上皮表现出异常群体动力学

JUT领域非常经典的一类发现,就是哮喘来源的人支气管上皮与正常气道上皮在jammed状态形成上存在差异。

哮喘上皮更容易长期保持较高运动性。

这给气道重塑提供了一个不同于单纯炎症的新解释。

3、支气管收缩产生的机械压缩还能直接推动unjamming

哮喘发作过程中,气道平滑肌收缩会对上皮产生明显机械压缩。

这种机械压力本身就可以改变细胞群体运动状态。

因此支气管收缩不只表现为气道变窄。

它还可能反过来改变气道上皮组织行为。

这就形成了一个很有意思的疾病循环:

气道收缩造成上皮机械压缩,上皮发生异常流体化和重排,长期以后进一步参与气道结构改变。

4、这类课题很适合把“机械刺激”放到炎症之外

哮喘研究做得很多,但大量文章仍然集中在Th2、嗜酸细胞和上皮警报素。

JUT提供了一个明显不同的入口。

同样是气道上皮,可以直接研究机械环境怎样驱动组织状态改变,再看这种变化是否影响屏障和后续炎症。

SECTION 09

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其他慢性气道疾病还能怎样研究JUT

COPD、慢性气道炎症、病毒感染后气道修复和肺损伤后的上皮重建,都可以考虑JUT。

这些疾病共同存在一个特点:

气道上皮长期处在损伤—修复循环中。

正常修复需要细胞暂时获得运动能力,缺损闭合以后再重新进入稳定状态。

如果慢性疾病让细胞群长期停留在unjammed状态,上皮虽然表面上已经长满,组织结构和功能仍然可能没有真正恢复。

因此可以进一步研究:

疾病是否导致气道上皮“重新jam住”的能力下降?

这种持续流动态是否发生在黏液异常、屏障下降和长期组织重塑之前?

这类问题会比单纯比较模型组和正常组E-cadherin高低更有新意。

SECTION 10

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肿瘤为什么是JUT最值得继续扩展的方向之一

1、肿瘤侵袭并不只有单细胞迁移

很多癌组织中可以看到明显集体侵袭。

癌细胞以细胞索、细胞团或者连续片层向外移动。

细胞之间仍然保持连接。

这种组织状态和传统“彻底EMT以后单细胞逃逸”的模型存在明显区别。

2、肿瘤细胞群可能先发生流体化

当细胞群从jammed转向unjammed以后,肿瘤细胞不需要全部彼此分离,就能够获得整体运动能力。

这非常适合解释一些E-cadherin仍然较高,却具有明显侵袭性的肿瘤。

3、肿瘤边缘尤其值得研究

整个肿瘤不一定处在统一物理状态。

肿瘤核心可能高度拥挤、相对稳定,侵袭前缘却更加流动。

这种空间差异可能由局部基质硬度、CAF、氧状态和细胞密度共同决定。

所以可以进一步研究:

侵袭前沿是不是一个局部unjammed区域?

如果把这个区域重新推回更加稳定的状态,肿瘤集体侵袭能不能被抑制?

这就把JUT从一个描述性概念推进到了潜在干预机制。

SECTION 11

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JUT怎样解释“保持上皮特征的集体侵袭”

传统研究有时会遇到一个看起来矛盾的结果。

肿瘤侵袭增强了,但E-cadherin并没有明显下降。

Vimentin升高也不明显。

如果按照经典EMT解释,会觉得证据不够完整。

JUT提供了另一条路线。

细胞完全可以在保留上皮连接的情况下,通过邻居交换和协调运动整体向外移动。

此时E-cadherin的作用甚至可能很重要,因为集体运动需要细胞之间继续传递机械力。

所以研究肿瘤JUT时,不能只问E-cadherin“高还是低”。

还需要看连接是不是动态重排,细胞群能不能协同运动。

这和传统EMT文章的实验重点已经明显不同。

SECTION 12

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创伤修复为什么天然包含unjamming和重新jamming

1、完整上皮首先需要稳定

组织没有损伤时,大范围细胞迁移没有必要。

成熟上皮处于相对jammed状态,有助于维持连续结构。

2、出现缺口以后,组织需要暂时获得流动性

伤口边缘细胞开始向缺损区迁移。

更远处的细胞也会发生协调运动,整个上皮层逐渐向前推进。

这一过程具有非常典型的组织流体化特征。

3、伤口闭合后还需要重新稳定

这一点特别容易被忽略。

很多划痕实验把“伤口闭合100%”当作实验结束。

真实组织此时还需要重新恢复稳定的细胞排列、连接和屏障。

如果细胞持续处于异常高运动状态,结构修复并不完整。

所以JUT给创伤研究增加了第二个阶段:

什么时候开始unjamming,以及什么时候重新jam住。

SECTION 13

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慢性创面可以从JUT提出什么新问题

慢性创面研究经常关注细胞迁移能力下降。

JUT可以把这个问题进一步细化。

有些慢性创面可能确实是细胞无法正常unjam,导致整个上皮群无法有效向创面移动。

另一些情况下,细胞可能已经获得迁移能力,却因为长期炎症和异常基质环境无法在闭合后重新进入稳定状态。

这两类问题需要完全不同的干预策略。

前者需要恢复组织流动能力。

后者更需要恢复re-jamming和屏障成熟。

因此做慢性创面时,可以不再只测一个24小时划痕闭合率。

把创面关闭前后的群体运动状态都记录下来,可能会得到更多信息。

SECTION 14

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纤维化和组织硬化为什么也可能影响JUT

纤维化最大的变化之一,是细胞外基质组成和机械性质发生改变。

组织胶原增加以后,局部硬度、张力和结构几何都会变化。

上皮细胞和内皮细胞每天都在感受这些机械变化。

如果基质变硬改变了细胞牵引力和细胞间张力,就可能进一步改变整个细胞群的jammed状态。

这可以形成一个很有意思的跨细胞机制:

成纤维细胞改变ECM,ECM机械性质重新塑造上皮群体运动,上皮异常以后又进一步影响炎症和纤维化。

因此肝、肺、肾等纤维化方向,都可以尝试从“纤维化环境怎样改变上皮物理状态”切入。

但这个方向目前不像气道JUT那样成熟。

真正做时需要首先证明目标组织确实出现了可重复的群体流动变化,不能因为基质变硬就直接套用unjamming概念。

SECTION 15

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屏障疾病为什么值得关注细胞群体是否进入异常流动态

一个成熟屏障依赖稳定的细胞连接。

但连接蛋白表达量正常,并不等于屏障一定稳定。

如果细胞持续进行邻居交换,连接需要不断拆除和重建。

即使总E-cadherin和ZO-1蛋白量没有明显下降,连接动态性增加也可能改变屏障通透。

这给很多研究提供了一个新的解释。

例如模型中TEER已经下降,FITC-dextran通透性增加,但Western blot发现ZO-1和Occludin变化并不明显。

过去可能会继续找更多紧密连接蛋白。

现在还可以看看细胞群体是不是已经进入异常unjammed状态。

如果群体流动增加发生在屏障下降之前,阻止unjamming又能够恢复屏障,这条机制就会很有价值。

SECTION 16

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机械压力、基质硬度和组织几何怎样调控JUT

1、机械压缩可以直接改变群体状态

气道研究已经很好地说明,细胞群体并不需要等待生化炎症信号改变。

外部机械压力本身就可以诱导组织重排。

这非常适合研究高血压、气道痉挛、肿瘤生长压力等不同机械环境。

2、基质硬度改变细胞能够产生的牵引力

软基质和硬基质上的细胞,对基底面的牵引和细胞骨架状态不同。

这些差异会进一步传递到细胞间连接。

所以ECM硬化完全可能影响JUT临界状态。

3、真实器官还具有曲率

二维培养皿是平的。

肠隐窝、腺泡、气道、血管和肺泡都具有复杂曲面。

曲率会改变细胞形状和局部机械应力。

因此同一个组织不同位置完全可能具有不同jamming状态。

这个方向很适合三维类器官。

二维培养发现机制以后,可以继续问:

真实三维几何是否决定了哪个区域最先发生unjamming。

SECTION 17

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细胞骨架和细胞连接在JUT中分别发挥什么作用

1、肌动蛋白—肌球蛋白决定细胞变形和收缩

高度密集上皮里,细胞想改变邻居首先需要改变自身形状。

RhoA、ROCK、Myosin II等收缩系统会直接影响皮质张力。

因此这些机制很容易影响组织是否能够流动。

2、连接负责把一个细胞产生的力传到邻居

E-cadherin、β-catenin等黏附结构不只是“上皮Marker”。

它们还是机械连接。

一个细胞产生牵引以后,力可以沿着连接传到周围细胞。

集体运动之所以能够形成,很大程度上依赖这种力传递。

3、JUT研究里连接不能只按表达量解释

E-cadherin总量不变,并不代表连接功能没有变化。

连接位置、更新速度、机械张力和稳定性都可能改变。

因此活细胞连接成像会比单纯Western blot提供更多信息。

4、机械感知信号可以进一步放在上游

Integrin、FAK、YAP/TAZ、Piezo以及其他力学相关机制都可能参与不同体系中的JUT。

选择哪一条需要依赖当前疾病和预实验结果。

最好避免把所有机械通路一次性全部铺开。

SECTION 18

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研究JUT最重要的实验并不是Western blot

这是JUT和很多传统机制课题最大的区别之一。

如果研究一个信号通路,Western blot可以告诉我们蛋白有没有变化。

如果研究的是细胞群体从固态样转向流动态,仅检测蛋白远远不够。

真正的核心证据来自动态成像。

需要连续记录整个汇合细胞层,观察细胞在几个小时甚至更长时间里的位置变化。

随后通过细胞追踪、PIV或者其他运动分析得到速度场。

再进一步分析细胞形状和邻居交换。

JUT文章应该始终保留一个非常明确的“群体行为终点”。

否则最后很容易变成普通机械转导或者EMT文章,只是在标题中多写了一个JUT。

SECTION 19

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怎样判断一个细胞群真正发生了unjamming

1、平均运动速度增加

这是最基础的一层。

可以通过单细胞追踪或PIV计算整个细胞层的运动速度。

unjamming以后通常能够看到运动明显增强。

2、细胞位移范围扩大

可以计算单细胞轨迹和均方位移(MSD)。

jammed状态下,细胞长期在一个局部空间内活动。

unjammed以后,细胞能够持续离开原位置。

3、邻居交换增加

这一项非常关键。

真正的组织流体化意味着细胞拓扑关系不断改变。

因此可以追踪一个细胞周围原来的邻居,在数小时后还有多少保持不变。

4、细胞形状改变

unjamming往往伴随细胞更加细长和不规则。

shape index、aspect ratio等都可以用于定量。

5、群体运动出现空间相关性

JUT中的运动经常具有集体性。

相邻细胞倾向于沿相近方向运动,并形成局部速度场。

PIV可以很好地捕捉这类信息。

6、细胞密度需要同步记录

这是必不可少的控制。

如果细胞大量死亡或者细胞密度明显下降,剩余细胞自然获得更多空间,运动速度也会增加。

这种情况下不能轻易定义为真正的JUT。

SECTION 20

20

细胞形状指数应该怎么用,3.81又代表什么

JUT研究中经常出现一个参数:

q=P/√A

其中P表示细胞周长,A表示细胞面积。

细胞越规则,周长相对面积通常越小。

细胞拉长、边界复杂以后,q值会增加。

经典二维顶点模型曾提出,在特定模型假设下,群体刚性转换附近可能出现约3.81的临界形状参数。

这个数字在JUT领域非常著名。

真正做生物实验时,不建议把3.81直接当成一个绝对判定线。

真实细胞存在主动运动、异质性、不同连接强度和复杂三维结构,临界状态会受到模型和实验条件影响。

因此shape index更适合回答:

处理以后整个细胞群是否持续向更加不规则、可流动的几何状态移动。

它需要和速度、MSD以及邻居交换一起使用。

如果只有一个q值超过3.81,并不足以完成JUT定义。

SECTION 21

21

怎样证明细胞运动增加不是因为密度下降

这个控制非常重要。

1、同步统计细胞密度

每个时间点记录单位面积细胞数。

如果实验组细胞明显减少,需要首先解释减少原因。

2、同步检测细胞死亡

Annexin V、膜完整性或者其他死亡指标可以帮助确认刺激没有制造大量空位。

3、同步观察增殖

某些处理抑制增殖以后,细胞群密度变化也会影响后续机械状态。

因此EdU、Ki67或细胞计数可以根据需要加入。

4、最好在相近密度条件下比较群体运动

如果能够在密度匹配条件下仍然看到速度、shape index和邻居交换发生系统变化,对JUT的支持会明显增强。

JUT研究最需要避免的情况,就是模型组少了一半细胞,然后把“剩下细胞跑得更快”解释成unjamming。

SECTION 22

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怎样通过实验把JUT和EMT真正拆开

1、先建立JUT时间曲线

通过连续成像确定细胞什么时候开始加速,什么时候出现明显邻居交换。

这一步先定义物理状态变化。

2、同一时间线上检测EMT

选择几个关键时间点检测E-cadherin、Vimentin和与项目相关的EMT调控分子。

看两种变化出现的顺序。

3、分别干预JUT和EMT

如果前期结果提示某个机械通路位于JUT上游,可以抑制它,再观察群体运动。

同时单独干预Snail、TGF-β等EMT相关机制。

4、看两套干预是否发生分离

例如抑制EMT后,E-cadherin恢复、Vimentin下降,但细胞群仍然保持较强流动。

说明JUT并没有完全被EMT解释。

或者机械干预已经让细胞群重新稳定,而EMT Marker短时间仍保持异常。

这类功能分离非常有说服力。

5、最后再研究两者是否存在上下游关系

可能是机械unjamming促进后续partial EMT。

也可能是partial EMT改变细胞张力以后反过来推动组织流体化。

不同疾病未必具有相同顺序。

所以不要一开始就预设“JUT一定在EMT上游”。

真正值得做的是把时间和因果关系实验化。

SECTION 23

23

JUT研究目前最值得做哪些创新问题

1、疾病最早期是否先发生JUT

很多组织在明显病理出现以前已经发生细胞排列和机械异常。

如果JUT比经典炎症、纤维化或EMT更早出现,它可能成为疾病非常早期的一层事件。

这适合做时间曲线。

2、疾病是否来自“无法重新jam住”

现在很多研究集中在怎样发生unjamming。

对慢性疾病来说,另一个问题可能更重要。

正常修复结束以后,组织应该重新恢复稳定状态。

如果长期停留在unjammed状态,即使细胞已经覆盖完整组织,功能仍可能异常。

气道重塑、慢性创面和持续屏障损伤都适合从这个角度研究。

3、同一组织中为什么只有某些区域先unjam

肿瘤侵袭前缘、伤口边缘或者曲率较高区域可能拥有完全不同的机械环境。

因此可以比较局部shape index、运动速度和ECM状态。

进一步研究空间异质性。

4、JUT是否可以先于屏障破坏

同步监测细胞群运动和TEER。

如果群体流动态变化先出现,数小时后屏障才下降,就可以进一步研究JUT是不是屏障异常的上游。

5、JUT是否会改变炎症细胞进入组织

上皮或内皮持续重排后,局部连接动态变化可能影响免疫细胞跨屏障。

这样可以从JUT继续进入免疫微环境。

6、基质细胞能不能远程调节上皮JUT

成纤维细胞改变ECM硬度,也能释放影响上皮骨架和连接的信号。

共培养和条件基质实验可以帮助建立“基质—上皮群体状态”机制。

7、能否把“重新jamming”作为治疗结果

传统治疗通常观察炎症下降、迁移下降或者Marker恢复。

JUT框架下可以进一步看组织有没有真正恢复稳定。

这可能形成一种新的功能性修复终点。

SECTION 24

24

JUT研究最常见的实验设计误区

1、细胞迁移增加就直接定义JUT

普通迁移能力增加和群体流体化不是同一个概念。

2、只做划痕实验

伤口闭合速度不能单独证明unjamming。

3、只做Transwell

Transwell本身破坏了连续细胞群关系,更适合研究单细胞迁移。

4、细胞没有汇合就开始研究JUT

起始状态已经具有大量自由空间,很难定义真正的jamming。

5、细胞死亡明显增加却没有控制

死亡造成空位以后,剩余细胞自然更容易移动。

6、只计算shape index

几何改变需要和动态运动结果结合。

7、把3.81当成所有细胞的固定阈值

真实生物体系需要结合多参数判断。

8、只拍一张固定免疫荧光

JUT的核心信息存在于时间和邻居变化中。

9、只看边缘细胞迁移

真正的群体unjamming往往会影响边缘后方更大范围细胞。

10、细胞速度增加却没有研究邻居交换

可能只是整体平移,并不能完整说明组织发生流体化。

11、看到细胞拉长就直接解释成EMT

机械状态变化同样会造成明显形态改变。

12、E-cadherin没有下降就认为细胞没有发生重要变化

JUT本身就可以在保持连接的背景下发生。

13、所有JUT都解释成疾病促进因素

伤口修复和正常发育同样需要暂时unjamming。

14、只研究如何unjam,不研究如何重新jam

慢性疾病可能恰恰卡在恢复阶段。

15、所有机制最终仍然只做Western blot

没有回到细胞群运动,JUT很容易沦为一个概念标签。

16、二维实验直接外推真实器官

组织曲率、基质和三维空间都可能明显改变jamming状态。

SECTION 25

25

一套完整的JUT研究路线应该怎么设计

1、先从一个异常群体行为开始

最合适的入口通常是已经观察到细胞排列紊乱、集体迁移增强、屏障异常或者组织重塑。

先判断这些现象能否被传统EMT完全解释。

如果EMT并不明显,JUT尤其值得考虑。

2、选择能够形成成熟连续单层的细胞

根据疾病选择气道上皮、肠上皮、乳腺上皮、肿瘤上皮或其他合适体系。

让细胞真正达到稳定汇合状态。

必要时继续培养,使基础运动逐渐降低。

只有这样才能建立清楚的jammed基线。

3、测量基础群体运动状态

在任何刺激前先做活细胞成像。

计算平均速度、MSD、shape index和邻居稳定性。

确认对照细胞确实处于相对稳定状态。

4、使用疾病相关刺激诱导unjamming

哮喘可以从机械压缩或疾病相关炎症环境进入。

肿瘤可以改变ECM、机械压力或相关致癌信号。

纤维化可以使用不同硬度基质或者疾病相关基质环境。

刺激需要尽量来自真实疾病问题。

5、建立连续动态成像

刺激后连续记录数小时到更长时间。

通过细胞追踪和PIV得到整个群体的速度变化。

同时记录细胞形态和邻居关系。

这一阶段先把JUT本身确认清楚。

6、同步控制密度、死亡和增殖

避免因为细胞数量变化制造假性流动。

如果不同组密度差异明显,需要进一步做密度匹配实验。

7、建立JUT的多参数证据

至少建议包含:

细胞运动速度、细胞位移或MSD、shape index、邻居交换以及细胞密度。

条件允许还可以增加速度相关性和牵引力。

多个参数共同指向组织流体化,证据会稳定很多。

8、增加疾病真正相关的功能

气道和肠道可以做TEER和通透性。

创伤修复可以观察伤口闭合后是否重新进入稳定状态。

肿瘤则进一步进入三维集体侵袭。

这样JUT才真正和疾病功能建立关系。

9、把EMT放到同一时间轴上

同步检测上皮和间质特征。

明确JUT和EMT谁先出现。

不要只在最终时间点做一次Western blot。

10、找到真正位于JUT上游的机制

根据模型结果筛选细胞骨架、连接、机械感知和ECM相关信号。

优先寻找在unjamming开始以前已经发生的变化。

这种上游机制比最终随群体运动一起变化的蛋白更值得继续深入。

11、通过遗传和药理干预证明因果

干预目标以后重新进行整套动态分析。

如果细胞运动、shape index和邻居交换都恢复,就说明这个机制真正控制群体状态。

只看到某个Marker下降还不够。

12、进一步和EMT做功能拆分

分别干预JUT机制和EMT机制。

看两种状态是否能够被独立调节。

这一步非常适合形成文章的核心创新。

13、继续研究re-jamming

撤除疾病刺激以后,观察细胞能不能自行恢复稳定状态。

如果正常细胞能够重新jam住,而疾病来源细胞长期保持流动,就可以继续寻找这种“状态锁定”机制。

这一方向对于慢性气道疾病和肿瘤尤其值得研究。

14、进入三维和器官相关体系

二维机制完成以后,可以进入气液界面培养、类器官、三维肿瘤球或者组织切片。

在更真实的曲率和ECM环境中观察相同JUT规律是否存在。

15、最后回到动物疾病

动物中可以从细胞排列、形态参数、组织区域和必要的动态成像入手。

重点确认高JUT区域是否与疾病最严重区域重合。

随后干预关键机制,观察群体状态、组织功能和疾病表型能否同步恢复。

最终一条比较完整的机制可以表现为:

疾病相关机械或微环境首先改变细胞间力学,使成熟上皮从相对jammed状态进入unjammed状态。细胞在仍然保持大量原有身份的情况下开始持续邻居交换和集体流动,随后屏障、组织结构或者侵袭能力发生改变。持续的异常流动态进一步推动更深层细胞状态重塑,而恢复正常jamming则能够改善组织功能。

这套机制和传统“刺激—EMT—迁移”已经有明显区别。

SECTION 26

26

博恩生物可以为JUT研究提供哪些实验支持

1、可以先判断现有项目是否真正适合引入JUT

如果实验已经出现集体迁移增加、细胞形态明显拉长、组织排列紊乱,但经典EMT结果并不完整,可以进一步判断是否存在细胞群体流态转换。

先从现有表型出发,避免为了追求新概念强行套用JUT。

2、可以建立稳定的jammed细胞基础状态

根据气道、肠道、肿瘤或其他研究方向优化细胞密度、培养时间和基质条件。

让细胞形成成熟连续单层,并通过动态成像确认基础运动处于较低水平。

3、可以建立疾病相关unjamming模型

根据项目选择机械压缩、不同基质硬度、炎症环境、损伤或其他相关刺激。

通过时间和强度预实验,寻找能够稳定诱导群体流动,同时不会造成大量细胞死亡的条件。

4、可以进行长时间活细胞成像

连续记录整个汇合细胞层。

利用单细胞追踪或PIV分析运动速度、方向和速度场。

让JUT从“细胞看起来更长了”推进到真正的动态证据。

5、可以开展细胞几何和邻居关系定量

通过细胞边界分割计算面积、周长、shape index、长宽比和邻居数量。

进一步追踪邻居交换和细胞拓扑变化。

6、可以同步控制密度、增殖和死亡

确保群体运动变化并非来自细胞数量下降。

提高JUT结论的可靠性。

7、可以把JUT和屏障功能连接起来

针对气道、肠道和其他屏障方向,可以同步进行TEER、示踪物通透性和细胞连接动态观察。

判断unjamming是否发生在屏障异常之前。

8、可以把JUT和EMT进行时间及功能拆分

在同一实验体系中同步检测群体运动和EMT变化。

通过不同机制干预判断两者是独立发生、前后相连,还是共同受到某一上游因素调控。

9、可以进一步进入机械转导机制

根据前期结果围绕RhoA/ROCK、Myosin、细胞连接、Integrin、FAK、YAP/TAZ或其他目标节点进行验证。

关键分子干预最终重新回到JUT动态表型。

10、可以研究re-jamming和疾病恢复

在去除刺激或给予干预以后继续观察细胞群体。

判断组织是暂时降低运动,还是能够真正恢复稳定邻居关系和屏障功能。

这一层很适合疾病逆转和药物干预研究。

11、可以从二维进入三维和类器官

将已经明确的机制放入更真实的组织曲率、ECM和空间环境中验证。

观察三维条件下局部unjamming是否呈现新的空间分布。

12、可以进一步回到动物组织完成验证

在动物疾病模型中观察细胞排列、形态和组织重塑,并结合屏障、病理、侵袭或其他器官功能。

最终判断改变JUT以后,疾病本身能否得到真正改善。

细胞群体解堵这个方向真正有吸引力的地方,在于它提供了一种不同于传统细胞命运研究的思路。

过去看到细胞突然会迁移,我们很容易继续研究EMT。

JUT让这个问题多了一层可能性。

细胞可以仍然保持很多原来的身份,整个组织却已经从一个稳定的状态进入可以持续流动的状态。

此时首先改变的可能并不是“这个细胞是谁”,而是“这群细胞还能不能被原来的邻居关系固定住”。

对于哮喘,这可以解释气道上皮为什么在反复机械压缩以后持续重排。

对于肿瘤,它可以解释一些仍然保持细胞连接的癌细胞为什么能够整群侵袭。

对于创面和屏障疾病,问题还可以继续推进到组织什么时候应该unjam,什么时候又必须重新jam住。

所以JUT真正值得做的,并不只是多测一个shape index,也不是把已有迁移结果换一个名字。

最有价值的问题是:

疾病究竟在什么时候改变了整个细胞群的物理状态,这个变化是否早于EMT和明显组织损伤,以及把异常流动的组织重新恢复到稳定状态以后,疾病能不能随之改善。

如果这几层能够真正做出来,细胞群体解堵就会从一个相对少见的组织物理学概念,变成一个能够连接细胞迁移、机械环境、屏障功能和疾病进展的机制方向。

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