二、体内的梯度

细胞的运动是细胞生命活动的必然结果。细胞合成蛋白质和DNA的过程中，肌动蛋白也在进行更新换代，从而推动了细胞的运动。但在不受到外界梯度信号的刺激时，细胞做无规运动，没有方向性。只有当细胞感知到外界信号时，才会在梯度信号的影响下出现极化。影响细胞迁移的外加刺激可以是物理信号或者是化学信号，只要它们能被细胞膜上的受体感知到，就可以通过信号通路传导到细胞内部，诱发细胞的迁移。细胞可以识别出这些信号的方向和空间分布梯度，从而沿着梯度的方向运动。生物体内的梯度信号包括化学信号和物理信号，它们都能有效诱导细胞的定向运动。

（一）物理梯度

物理梯度是指物理性质如硬度、拓扑结构、孔隙率等发生的渐进变化。骨组织中就存在典型的物理梯度。骨的表层为坚硬致密的骨密质，而内部为海绵状的骨松质。这种结构可以在保证骨的硬度和韧性的同时，为骨组织提供优良的透气性和营养供应能力。从外部到内部，骨组织的孔径逐渐增大。骨组织的强度与组织的孔隙率和孔隙大小呈反比关系。所以，骨组织中同时存在着模量的梯度。牙组织中，由于化学组成和物理结构的梯度变化，也导致力学性质由内到外发生了梯度变化。此外，一些病理学过程也会导致体内产生额外的物理梯度。例如，血管粥样硬化、肝硬化、肿瘤、瘢痕等都会导致局部模量增加，从而导致与正常组织之间产生模量的梯度差异。

细胞会对这些物理信号梯度产生响应，从而沿着信号的变化方向发生迁移。例如，随着基底硬度增加，细胞的铺展会变好，并且向着模量高的方向迁移。细胞的这种性质叫做趋硬性（durotaxis/mechanotaxis）。肿瘤组织因为具有较高的模量，会诱导血管内皮细胞（vascular endotheliocyte，VEC）和平滑肌细胞（smooth muscle cell，SMC）向着高模量方向迁移，从而促进了肿瘤内的血管生成。瘢痕组织的高模量也能诱导成纤维细胞的迁移而加速伤口愈合。

细胞对基底硬度差异的响应，是通过细胞膜表面受体在与基底作用时的移动距离来感知的。在较软的基底上，由于材料更容易发生形变，在作用力较小时，与细胞的作用位点就会产生较大的变形，从而使得细胞膜表面的受体也出现较大的位移；在较硬表面上，细胞受力作用点位移很小时，材料就能产生一个很强的机械作用力反馈（图4-2）。大的应力作用能激活细胞膜上的离子通道或使得一些应力敏感蛋白发生构象转变。这一过程又会影响酪氨酸的磷酸化程度，从而调节黏着位点的黏附强度和肌动蛋白的牵引力大小。当细胞伸出伪足来感受周围环境的变化时，在硬的表面上能感知到更强的机械力信号，从而产生更强的牵引力；在软的一端由于持续感受到弱的反作用力而导致黏附的稳定性变差。因此，细胞在模量梯度信号的刺激下，会沿着力学信号更强的方向迁移。通过在同一表面制备力学性质阶梯变化的纳米柱，根据纳米柱的变形情况，可以观察到同一细胞在不同硬度表面的受力情况确实存在差别。除了硬度外，细胞还能对其他的物理信号产生响应，如神经细胞和成肌细胞对电场的响应（galvanotaxis），单细胞生物的趋光性（phototaxis）以及对重力的响应（geotaxis）等。

（二）化学梯度

生物体内的化学梯度有两种形式：溶液中的趋化分子（chemoattractants）梯度和基质固定的生物分子梯度。溶液中的趋化分子可以是脂类激素（lipidhormones）、补体片段（complement fragments）或趋化因子（chemokines），如骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、基质衍生生长因子（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）等。体内环境中的一些小分子或离子（如O₂、H⁺等）的梯度也能诱导细胞的定向迁移，如肿瘤细胞可以感受到周围血管释放的O₂梯度从而向血管部位迁移。由于血液环境的pH高于肿瘤组织，癌细胞能沿着pH增加的方向运动，而内皮细胞则趋向于向pH低的方向运动，促进肿瘤部位的血管生成。细胞在受到不同的外界刺激时，能够分泌出各种趋化分子，在体液环境中，由于扩散作用，会形成以分泌源为中心的浓度梯度，从而诱导受体细胞沿着梯度方向迁移（chemotaxis）。如组织坏死区域的细胞能分泌巨噬细胞炎症蛋白（macrophage inflammatory protein 2-α，MIP2-α），从而诱导中性粒细胞聚集到伤口部位对坏死细胞进行吞噬。伤口处的皮肤角质细胞也能分泌更多的EGF从而诱导内皮细胞向伤口处迁移，促进血管再生。

基质固定的生物分子梯度既可以是生长因子的梯度，也可以是细胞外基质蛋白，如纤维粘连蛋白（fibronectin，Fn）、层粘连蛋白（laminin，Ln）、胶原（collagen）等的梯度。细胞表面以及细胞外基质中的糖蛋白，可以捕获溶液中扩散的生长因子，使其固定在表面上，从而形成第二类梯度：基质固定的生长因子梯度。如内皮细胞表面的类肝素糖蛋白可以与血液中的白细胞介素-8（interleukin-8，IL-8）、MIP等因子结合，形成表面固定的梯度，从而诱导白细胞在内皮层表面滚动迁移，并且在浓度合适的部位改变形态穿过血管壁，进入炎症部位。细胞的这种沿着基质固定的趋化因子梯度迁移的现象，叫做趋触性（haptotaxis）。在通常情况下，可溶性的趋化因子和固定的趋化因子梯度是同时存在的，如在神经系统发育过程中，溶液中的导素（netrins）和基质表面固定的肝配蛋白（ephrin）和壁板蛋白（semaphorin）同时诱导着神经腺细胞的迁移。除了化学诱导因子外，化学排斥因子也对控制迁移的方向性起着重要作用。在斑马鱼原肠胚发育阶段，胚胎的中胚层会分泌细胞迁移的排斥剂（repellent），如启动子（Wun1、Wun2）和干扰素跨膜蛋白 1（IFITM1），而内胚层会分泌诱导剂SDF-1，从而保证了胚胎细胞精确地迁移到后部的胚胎内层，形成胚胎尾肠。