使用癌细胞作为逻辑门来确定是什么使它们移动

癌细胞出于多种原因在体内迁移;有些人只是跟随流体的流动，而另一些人则积极跟踪特定的化学轨迹。那么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，机械工程教授Bumsoo Han和他的研究小组一直在研究癌细胞。他构建微流体结构来模拟它们的生物环境;他甚至利用这些结构建造了一台“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，因为它是癌症转移的一个重要方面，”Han团队的博士后研究员Hye-ran Moon说。“但这是不同的。我们正试图解决这些行为背后的基本机制。这是非常具有挑战性的，因为细胞是非常复杂的分子系统，它们暴露在导致它们移动的多种线索中。

其中一个线索涉及化学痕迹，许多细胞天生就被吸引(很像蚂蚁跟随气味痕迹)。另一个是流体流动;如果液体在细胞周围沿某个方向流动，许多细胞就会顺其自然。因此，如果一个细胞在移动，你怎么知道它是由化学物质、流体运动还是两者兼而有之?

该团队采用了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皇家化学学会的期刊《芯片实验室》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心室和两个侧平台。使用这种装置，他们可以在一个方向上复制流体流，在相反方向上，或者根本没有流动。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，他们可以选择在一个方向、相反方向或根本没有趋化性。这两个线索会成倍增加，还是相互抵消?

“有了两个线索和三个选择，我们有足够的可观察数据来构建三元逻辑门模型，”Moon说。

逻辑门是计算的一种结构，其中晶体管接受 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，并根据它是哪种门输出不同的结果。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。

月球分配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。“如果他们没有方向性，那就是0。如果它们向与流动相反的方向移动，那就是-1。

当细胞单独遇到化学物质或液体流动时，它们会向正方向移动(“1”)。当两者在同一方向上存在时，效果是累加的(仍然是“1”)。然而，当两者以相反的方向流动时，细胞沿化学物质的方向(“-1”)移动，而不是流体流动。

基于这些观察结果，Moon推断出一个3x3的网格来简化结果。这些癌细胞的线索现在可以绘制成图表，就像电气工程师绘制电路一样。

当然，现实世界从来都不是那么简单。“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动阈值后，细胞才会移动;如果你引入太多，电池会短路并且根本不移动。我们可以预测运动的准确性是一种非线性关系。

文在寅还强调，这个特殊的实验非常简单：两个刺激，在两个方向上，在一个维度上，方向完全相反。下一步是构建一个类似的实验，但在二维平面上;然后是三维体积中的另一个。这只是初学者;一旦你添加多个刺激，并将时间作为第四维度，计算就会变得非常复杂。“现在你明白为什么生物学家需要使用超级计算机了!”文在寅说。

这项研究是与普渡大学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Andrew Mugler和Soutick Saha。

“这是微流体装置如何用于癌症研究的完美例子，”Moon说。“在生物环境中进行这项实验将非常困难。但是有了这些设备，我们可以直接进入单个细胞，并在受控环境中研究它们的行为。

“这个模型可以应用于不仅仅是物理癌细胞，”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，当你给它们某些指令时，它们会给出不同的结果。我们可以采用这个概念，有很多分支。