使用癌细胞作为逻辑门来确定是什么让它们移动

癌细胞由于多种原因在体内迁移;有些只是简单地跟随流体的流动，而另一些则积极地跟随特定的化学痕迹。那么你如何确定哪些细胞在移动以及为什么?普渡大学的研究人员对细胞信号处理系统进行了逆向工程，并将其用作逻辑门(一台简单的计算机)，以更好地了解导致特定细胞迁移的原因。

多年来，机械工程学教授BumsooHan和他的研究小组一直在研究癌细胞。他建造微流体结构来模拟它们的生物环境;他甚至用这些结构建造了一个“时间机器”来逆转胰腺癌细胞的生长。

“在我们的实验中，我们一直在观察和研究这些癌细胞如何迁移，因为这是癌症转移的一个重要方面，”Han团队的博士后研究员Hye-ranMoon说。“但这是不同的。我们正在努力解决这些行为背后的基本机制。这非常具有挑战性，因为细胞是非常复杂的分子系统，并且它们暴露于导致它们移动的多种线索。”

其中一个线索涉及化学痕迹，许多细胞天生就被吸引到(很像蚂蚁追踪气味痕迹)。另一个是流体流动;如果液体沿某个方向在细胞周围流动，许多细胞就会顺其自然。因此，如果一个细胞在移动，您如何判断它是由化学物质、流体运动还是两者共同驱动的?

该团队采用三元逻辑门模型来分析这些线索，并预测细胞在不同环境下的移动方式。他们的研究已发表在芯片实验室杂志上。

他们的实验在一个微流体平台上进行，该平台有一个用于细胞的中央室和两个侧平台。使用这种装置，他们可以复制一个方向、相反方向或根本没有流动的流体流动。他们还可以引入一种已知会导致细胞迁移的化学物质。同样，他们可以选择向一个方向趋化，向相反方向趋化，或者根本不趋化。这两个线索会相乘，还是会相互抵消?

“有了两个线索和三个选择，我们就有了足够的可观察数据来建立一个三元逻辑门模型，”Moon说。

逻辑门是一种计算构造，其中晶体管采用1或0输入并返回1或0输出。二进制逻辑门采用两个1和0的组合，并根据门的类型输出不同的结果。三元逻辑门做同样的事情，除了三个可能的输入和输出：1、0和-1。

Moon指定了细胞在两种不同刺激下移动的方向的值。“如果细胞沿流动方向移动，那就是1，”Moon说。“如果它们没有方向性，则为0。如果它们向与流动方向相反的方向移动，则为-1。”

当细胞单独遇到化学物质或流体流动时，它们会朝正方向(“1”)移动。当两者都出现在同一个方向时，效果是相加的(仍然是“1”)。然而，当两者以相反的方向流动时，细胞向化学物质的方向(“-1”)移动，而不是流体流动的方向。

基于这些观察结果，Moon推断出一个3x3网格来简化结果。这些癌细胞的线索现在可以像电气工程师绘制电路图一样绘制出来。

当然，现实世界从来没有那么简单。“实际上，化学刺激是一种梯度，而不是开关，”Moon说。“只有在引入一定的流量阈值后，细胞才会移动;如果引入过多，细胞就会短路，根本不会移动。我们预测移动的准确性是非线性的关系。”

穆恩还强调，这个特殊的实验非常简单：两个刺激，在一个维度上，方向完全相反。下一步将是建立一个类似的实验，但在二维平面上;然后另一个在3维体积中。这只是初学者;一旦你添加了多个刺激，并将时间作为第4个维度的因素，计算就会变得异常复杂。“现在你明白为什么生物学家需要使用超级计算机了，”Moon说。

这项研究是与普渡癌症研究所合作进行的;韦尔登生物医学工程学院;普渡大学物理与天文学系;匹兹堡大学物理与天文学系的AndrewMugler和SoutickSaha。

“这是微流体设备如何用于癌症研究的完美示例，”Moon说。“在生物环境中进行这项实验非常困难。但是有了这些设备，我们可以直接研究单个细胞并研究它们在受控环境中的行为。”

“这个模型不仅仅适用于物理癌细胞，”Moon继续说道。“任何细胞都可能受到不同线索的影响，这为研究人员提供了一个框架来研究这些影响并确定它们发生的原因。基因工程师也接受了逻辑门模型，将基因视为处理器，当你给它们某些信息时会产生不同的结果。说明。我们可以根据这个概念进行很多分支。”