令人震惊的线索：细胞如何在胚胎发育过程中利用电场迁移

随着胚胎的生长，细胞之间会有源源不断的交流，形成组织和器官。细胞需要从环境中读取许多线索，这些线索本质上可能是化学或机械的。然而，仅凭这些并不能解释集体细胞迁移，大量证据表明，运动也可能是对胚胎电场的反应。到目前为止，胚胎中这些区域是如何以及在哪里建立的尚不清楚

“我们已经表征了一种内源性生物电流模式，它类似于发育过程中的电场，并证明这种电流可以引导被称为神经嵴的细胞群的迁移，”Elias H.Barriga博士强调，他是领导发表在《自然材料》上的这项研究的通讯作者

最初，Barriga博士和他的团队在葡萄牙Oeiras的前Gulbenkian科学研究所（IGC）开始研究神经嵴，然后在德累斯顿继续研究，在生命物理学卓越集群成立了一个小组

神经嵴是胚胎的重要组成部分，这一细胞区域形成了我们面部和颈部的骨骼，以及神经系统的一部分。Barriga博士及其同事发现，神经嵴的细胞在发育过程中受到内部电场的引导，就像司机听从交通管理员的信号一样

研究小组发现，通过这个被称为电轴的过程，细胞可以从胚胎内部产生的电场中感知方向并相应地移动。这一观察结果以前主要局限于对培养细胞的研究，但现在已在发育中的胚胎中得到证实。但一个重要的问题仍未得到解答：细胞是如何解释这些电流并将其转化为定向运动的

神经嵴细胞在离体时向电场的阳极迁移。在没有电场（上图）或有电场（下图）的情况下，神经嵴簇的代表性延时图像约7小时。下图中的簇暴露在100 mV mm−1的电场下约3.5小时，极性反转约3.5小时。延时设置为每5分钟1张图片。注意簇内的细胞在没有电场的情况下如何扩散，在有电场的情况下单向迁移。神经嵴标记有核RFP（洋红色）和膜GFP（青色）。比例尺，100微米。来源：《自然材料》（2025）。DOI:10.1038/41563-024-022060-2

为了回答这个问题，Barriga博士和他的团队鉴定了一种在神经嵴细胞中发现的被称为电压敏感磷酸酶1（Vsp1）的酶。由于Vsp1的多功能结构，它似乎能够感测和转换电信号。为了确认Vsp1是电轴所必需的，研究人员创造了一种有缺陷的酶，并表明注射了这种拷贝的细胞中集体电轴受损

“对我来说，应用我开发的工具在生物电的背景下靶向基因表达是非常有益的，我期待着它的潜力得到充分利用，”参与这项研究的博士后科学家Sofia Moreira博士强调道

与预期相反，Vsp1似乎与运动本身无关，而是可以将电流梯度具体转化为定向和集体迁移。这是一个独特的观察结果，因为大多数酶传感器都是运动本身所必需的，因此很难研究它们在引导方向方面的作用

更进一步，作者还提出了电场是如何形成的：通过机械拉伸一个被称为神经折叠的区域。随着该区域中的细胞伸展，这会导致特定离子通道的激活，从而产生电压梯度。然后，当细胞遇到这种梯度时，Vsp1将电信号转换为方向性线索，告诉细胞该走哪条路，从而产生集体细胞迁移

这是第一个实验证据，表明电场沿着神经嵴细胞迁移的路径出现，并解释了它们的起源机制。这些发现突出了生物电在胚胎发育过程中提供的宝贵贡献。通过提高我们对活体动物电轴的认识，这项研究为在实验室中模拟发育过程开辟了新的可能性，其准确性比以往任何时候都高

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该研究的第一作者、博士后科学家Fernando Ferreira博士指出：“这篇论文弥合了生物电研究中一个重要的、长达数十年的空白，成为正在进行的发育生物电复兴的一部分是非常有益的。”然而，对电轴机制的研究仍在进行中

Barriga博士说：“从更广泛的角度来看，我们现在将另一个参与者引入了组织形态发生的复杂过程。”。“现在的问题是，这如何融入胚胎发育过程中已经建立的机械和化学线索框架？”

除了发展之外，在伤口愈合和癌症进展过程中也可能存在类似的机制。了解电场如何引导细胞迁移甚至可以激发组织工程和再生医学中潜在的新策略。然而，需要进一步的研究来扩展电场在细胞行为中的作用，并加深我们对生命系统背后物理学的理解 More information: Fernando Ferreira et al, Stretch-induced endogenous electric fields drive directed collective cell migration in vivo, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-024-02060-2. www.nature.com/articles/s41563-024-02060-2

Journal information: Nature Materials