巨噬细胞能够感知并跟随具有生理意义的钾离子（K+）和钠离子（Na+）浓度梯度：诱导产生的偶极子以及离子趋性（ionotaxis）如何解释细胞的电趋性（electrotaxis）现象

《Cell Communication and Signaling》：Macrophages sense and follow physiologically relevant K+ and Na+ gradients: how induced dipoles and ionotaxis may explain electrotaxis

　　

摘要

背景

许多细胞会对细胞外分子浓度的变化（趋化性）作出反应，向分子浓度较高的地方迁移（如食物或信号分子），或者远离毒素。同样，一些细胞会对细胞外电场作出反应，向阴极或阳极迁移（趋电性）。然而，目前只有运动能力强的细菌被证实会对细胞外离子梯度作出反应（离子趋性），而在哺乳动物细胞中尚未有类似的报道。

方法

我们使用微流控梯度芯片来观察人类巨噬细胞在钠、钾和氯离子浓度梯度中的迁移情况。

结果

与在恒定浓度下的迁移相比，所有三种离子梯度都显著地引导了细胞的运动方向。巨噬细胞明显地向阳离子浓度较高的地方迁移。即使离子浓度梯度低至环境浓度的±0.025%，也能被检测到。结果表明，巨噬细胞能够利用细胞外钾离子（K?）和钠离子（Na?）的微小变化来识别损伤部位，因为体内局部钾离子浓度的升高可能意味着细胞破裂。

讨论

我们还考虑了这一效应对趋电性现象的影响。电场会在细胞表面诱导出与电场方向一致的偶极子。如果这些偶极子与细胞外离子相互作用，它们会在细胞内部产生局部离子梯度，细胞随后会跟随这些梯度移动。因此，细胞实际上是与诱导的离子梯度发生相互作用，而不是电场本身。

结论

这项研究表明，细胞外离子浓度的局部变化可能是一种此前未被探索的细胞通信机制，这对细胞功能、发育生物学和癌症研究具有重要意义。