數十年來，研究人員都是利用培養皿來研究細胞運動。然而這些經典的組織培養工具只能允許二維運動，這與細胞在人類中所做的三維運動有著很大的不同。

在來自賓夕法尼亞大學與國立牙科和顱面研究所的一項新研究中，科學家們采用一種創新的技術研究了細胞在與皮膚組織結構相似的三維基質中是如何運動的。他們發現了一種全新的細胞運動，就像發動機中的活塞，細胞核生成壓力將細胞質膜向前推，幫助推動了細胞在基質中前進。

賓夕法尼亞大學牙醫學院口腔正畸學系教授Hyun (Michel) Koo說：“我們的研究工作闡明了一個非常有趣的問題：當細胞處在生理相關的復雜3D胞外基質環境中時會如何移動？我們發現，細胞核可以發揮活塞作用，分隔細胞質，提高靜水壓力驅動細胞在3D基質內運動。”

Koo與主要作者Ryan Petrie，及資深作者Kenneth Yamada一起，將這項研究發表在8月29日的《科學》（Science）雜志上。

Petrie說：“我們認為這是一個以往未知的、非常重要的細胞運動正常生理學機制。”

研究人員針對結締組織中最常見的細胞類型——成纖維細胞展開了研究。成纖維細胞自身會生成包括膠原蛋白（collagen）和纖連蛋白（fibronectin）在內的一些蛋白質，構成皮膚、腸道和機體其他組織中復雜的基質。研究人員利用由成纖維細胞生成的基質測試了細胞是如何遷移通過三維結構的。

在二維表面上研究成纖維細胞表明，最典型的運動形式與板狀偽足（lamellipodia）相關，它是由于肌動蛋白聚合成纖維，將細胞膜推向前所產生。而在2012年，Petrie和Yamada證實當將成纖維細胞放置到三維基質中，它們遷移時可以切換至一種不同的移動策略：利用葉狀偽足（lobopodia）。

研究人員并不知道這些葉狀偽足是如何形成的。他們懷疑有可能是由于細胞內增高的壓力所產生。研究人員利用先進的微電極測量了細胞內液體的靜水壓力，發現相比于在二維表面或是沒有交聯的三維基質中的細胞，在三維胞外基質中運動的細胞壓力顯著增高。

為了深入探究在三維基質中運動的細胞內部的壓力分布，他們檢測了來自細胞核前后的壓力。利用葉狀偽足的細胞其細胞核前方的壓力增高，產生的能量推動了細胞前進。利用活細胞共聚焦顯微鏡，他們觀察發現細胞核被拉向前，遠離細胞的后部，細胞核將細胞分成了高壓和低壓區室。

Petrie 說：“當細胞在基質中時，細胞核往往在細胞的后部，細胞體的形狀呈管狀。它真的看起來像一個活塞”

他們發現實際上是肌動蛋白絲將細胞核與細胞前部連接，拉動細胞核向前。這種移動給細胞“施加了壓力”。科學家們還識別了導致這一細胞核活塞運動的一些蛋白質組件，包括肌動球蛋白（actomyosin）、波形蛋白（vimentin）和nesprin蛋白。

Petrie說：“是壓力推動了質膜。”

由于這只發生于在細胞生成的三維基質中運動的細胞身上，在其他基質中運動的細胞則無此現象，研究人員指出細胞一定是感知它們的物理環境確定了采用哪種運動。

研究人員指出，這種細胞運動有可能也在機體其他組織中常見。當他們取得來自膝軟骨的軟骨細胞和來自腸組織的成肌纖維細胞，將它們放置在基質中時，這些細胞利用了相同類型的葉狀偽足驅動的運動方式。

這一研究發現還有可能對于理解如癌癥等疾病具有重要的意義，因為癌細胞往往以不同于正常細胞的方式運動。