细胞培养-细胞相互作用-细胞生物学-细胞分析

细胞间相互作用

细胞-细胞相互作用（CCIs）是多细胞生命的基石，允许细胞在群落中存在并执行集体功能。细胞通过产生不同的分子和膜结构相互作用，激活其他细胞中的信号通路，协调基因表达，然后驱动细胞功能。这些相互作用包括结构蛋白和功能蛋白、小化合物、细胞外基质、膜突起和细胞外囊泡等。其中，与其他细胞上的同源受体结合的配体，或配体-受体相互作用（LRIs），是CCIs的主要机制。

相邻细胞之间的直接物理接触导致了宏观上的组织和屏障结构的形成，而在微观上，它们驱动了细胞信号通路和激活状态的改变。在许多情况下，细胞与细胞之间的直接接触是启动和维持细胞通信以驱动关键生理过程的必要条件。对这些细胞相互作用事件的破坏和改变可能会产生严重的下游病理生理影响，这对治疗发展尤为重要，细胞-细胞相互作用的深入了解被越来越多地用于开发临床免疫疗法，以调节和利用细胞表面的细胞间通信。

研究细胞间相互作用的技术

研究细胞-细胞相互作用的生物成分和过程的多样性具有一系列跨学科的方法，可以分为细胞成像、基于邻近性的化学标记、功能开发、单细胞测序和机械力分析等方法。总的来说，这些技术旨在解开关键的生物学问题。细胞间的相互作用发生在哪里？这些物理交互作用的空间和组织结构是什么？哪些细胞直接相互作用，在相互作用中存在什么生物分子？如何通过基因工程来利用细胞间直接相互作用的结果？机械力分析和单细胞测序对研究细胞-细胞相互作用的影响？

图1. 细胞间相互作用的可视化

光学显微镜作为一种可视化细胞间相互作用发生的重要手段，帮助我们理解这些相互作用背后的空间和组织结构。早期基于显微镜的研究，如细胞接触界面涉及使用光学显微镜直接观察海绵的细胞解离和来自高阶动物的细胞聚集。此后，在显微镜技术和细胞表面检测方法的帮助下，改善了细胞-细胞相互作用的成像效果，包括酶扩增和荧光试剂的开发等。

基于细胞荧光的应用，如简化的细胞-脂质双分子层模型、超分辨率成像方法、荧光互补策略和双光子成像的影响，可以增强细胞-细胞相互作用的可视化和跟踪。通过使用粘附于玻璃板上的平面脂质双分子层（SLBs），目前已经成功地研究了细胞-细胞界面上的配体-受体相互作用动力学。SLBs中加入荧光标记的蛋白质，以促进蛋白质运动和组织的成像，可以在细胞-细胞相互作用中跟踪，对于研究免疫突触动力学尤其重要（图2）。

图2

互作用的环境。然后通过适当的刺激激活催化剂，诱导用含有生物素的探针标记邻近底物，用于通过质谱、凝胶成像、显微镜、流式细胞术或基因测序方法进行检测和下游分析。细胞间化学标记策略大致分为两类，接触依赖和非接触依赖，取决于细胞上的催化剂和邻近细胞上的基质之间的物理相互作用是否需要诱导标记。接触依赖标记技术需要一个细胞表面的酶和相邻细胞上的受体底物直接接触，以便进行细胞间接近标记（图3）。非接触依赖标记产生高反应性的标签，并扩散到周围环境之外（图4）。

图3

图4. 基于邻近性的化学标记

近端细胞之间的细胞-细胞相互作用（CCIs）可以通过标记方法进行评估，标记方法可以是依靠酶催化探针与受体的结合，以依赖接触的方式标记 LRIs（图5 c），也可以是通过催化剂诱导高活性状态的可扩散标记，以不依赖接触的方式标记 LRIs（图5 d）。合成受体可以被设计成在每次与发送细胞产生的特定配体相互作用时，在受体细胞内诱导感兴趣的转录反应。例如，发送细胞中的膜结合绿色荧光蛋白（GFP）可以与抗GFP（a-GFP）纳米抗体和Notch受体合成受体一起使用。这种合成受体可以帮助跟踪体内信号发送者-接收者之间的相互作用（图5 e）。

图5. 单细胞基因表达分析

细胞之间的分子相互作用决定了大多数细胞表型。转录组学提供了丰富的信息，可用于推断细胞间的相互作用，从而发现细胞在其群落中的作用。目前，可通过更复杂的算法考虑细胞的异质性和空间组织、多种配体类型和细胞内信号事件，并能够使用更大、更复杂的数据集，包括单细胞和空间转录组学。

使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）的计算工具主要应用于差异基因分析，即把单细胞聚合成细胞簇或细胞类型。这种方法有效地处理了scRNA-seq中每个细胞中测量的转录本稀少的问题。然而，最新方法可以实现在真正的单细胞分辨率下处理这些数据（图6），推断出单个细胞对之间的通信。以单细胞分辨率分析CCIs可以深入了解单细胞之间以及细胞群内部的相互作用异质性。

图6

以上是涉及到细胞-细胞相互作用的生物成分和过程的一系列跨学科的方法，其中细胞间相互作用的可视化作为重要方法，包括显微镜成像与荧光蛋白和小分子荧光团相结合的细胞-细胞可视化方法、基于邻近性的细胞间化学标记方法等，可绘制细胞-细胞接触环境，以及以细胞工程为基础、在功能上利用细胞间相互作用的策略，不仅在分子水平上深入了解了细胞-细胞接触环境，还对细胞的治疗开发产生了影响。

探索细胞-细胞界面的技术的发展带来了关于细胞-细胞相互作用生物学的大量信息，然而要更全面地理解细胞间相互作用背后的生化事件，仍然存在许多挑战，如监测发生物理接触的细胞的形成、繁殖和脱离的动态过程。

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参考文献

[1] Armingol E, Baghdassarian HM, Lewis NE. The diversification of methods for studying cell-cell interactions and communication. Nat Rev Genet. 2024 Jan 18. (IF 42.7)

[2] Bechtel TJ, Reyes-Robles T, Fadeyi OO, Oslund RC. Strategies for monitoring cell-cell interactions. Nat Chem Biol. 2021 Jun; 17(6): 641-652. (IF 14.8)