多细胞生命体系中，细胞之间如何通过有效的信息通讯来发挥特定的生理功能一直是科研工作者的兴趣及关注点。近日，南开大学潘雷霆副教授、许京军教授研究团队基于光刻图案化定量技术在离散体系小胶质细胞间钙波通讯特性研究获重要阶段性成果。相关结果以“Spatiotemporal Characteristics of Intercellular Calcium Waves Communication in Micropatterned Assemblies of Single Cells”为题发表在国际知名学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

细胞是生命活动的基本单位，单个细胞的作用往往是有限的，只有群体细胞形成的器官组织（如肝脏、心脏、脑等）或功能系统（如免疫系统、神经系统等）才能发挥特定的生理作用。这些器官或系统功能的实现，仅靠细胞数量简单堆砌是无法完成的，必须依赖于行之有效的细胞间通讯（cell-to-cell communication）。钙波通讯是细胞间通讯的一种重要表现形式，在免疫应答、神经活动调节等过程中发挥着重要作用。免疫系统不是一个实体组织，而是一个空间组织结构离散的功能体系，该系统是如何依靠胞间有效的通讯来保护生命机体一直是个经典谜题。小胶质细胞是中枢神经系统的第一道也是最主要的一道免疫防线，参与帕金森病、阿尔兹海默病、多发性硬化等神经系统紊乱疾病的发生。研究发现当脑部受到创伤或感染时，小胶质细胞可迅速动员并聚集，在正常细胞和受损细胞间形成一个保护屏障，但其如何实现快速有效通讯机制仍不明确。

早在2013年研究团队实验发现随机离散的小胶质细胞体系存在明显的自发钙振荡现象，通过单细胞快速荧光成像和理论建模分析认为胞间通讯介导了此振荡现象（BBRC, 2013, 431: 664）。2017年，利用微局域机械力刺激产生单点信号源，在随机离散小胶质细胞体系实时有效的观察到胞间钙波传递现象（图1），并基于药理学实验揭示了介导钙波传递信号分子为ATP/ADP，感受信号的膜受体为P2Y12,13（PLoS ONE, 2017, 12: e0183114）。

图1 微局域刺激引发随机离散体系小胶质细胞间钙波传递

上述常规细胞培养过程中，细胞随机分布于基底，体系参量不可控，只能定性地研究胞间通讯特性。为了实现细胞间通讯模型化、参量可控化的定量研究，研究团队随后引入光刻图案化技术，改善工艺流程，在基底上精准实现小胶质细胞图案化分布控制（图2）。实验结果显示，微局域刺激圆心细胞不同位置，外圈细胞钙波呈现顺时针或逆时针传递，证明介导钙波传递的信使分子分泌具有刺激位置依赖性（图3）；设计不同圈数同心圆图案，发现小胶质细胞间钙波传递存在中继站机制，即细胞在感受到信使分子之后自身又会分泌额外的信使分子，扩大了钙波传递的范围并且提高了传播速度和效率（图4），首次实验验证了中继站效应在钙波通讯方面的促进作用；利用椭圆形图案诱导细胞形成片状伪足，发现片状伪足对于信使分子具有更高的敏感性。以上结果可为阐明小胶质细胞快速有效的保护中枢神经系统机制提供新的实验支撑，也为体外研究细胞间通讯特性提供新的实验方案。

图2 基于光刻技术细胞图案化控制流程

图3 刺激位置依赖的钙波顺时针或逆时针传递

图4 中继站效应扩大钙波传递范围

本文第一作者是邢福临博士生，通讯作者为潘雷霆副教授与许京军教授，南开大学为第一作者及通讯作者单位。本工作的光刻实验得到了物理学院高峰副教授和宁波大学楼慈波副教授的支持和帮助。本工作得到了国家自然科学基金、111计划及长江学者和创新团队发展计划等项目资助。

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