我们许多人知道，牧羊人都有一套放牧羊群的技巧，可以操控羊群，根据需要使羊群集体地行为动作。
能不能让细胞组也可以像牧羊人操控羊群一样，使细胞组集体地根据需要动作呢？这是普林斯顿大学的科学家们所想到的问题。现在他们做到了，利用电场来掌控细胞集体运动。
普林斯顿大学的研究人员创造了一种设备，该设备使用电场来像牧羊人操控羊群一样掌控细胞。通过操纵电场来模仿愈合过程中体内发现的电场，从而精确地指导细胞的运动。该技术为细胞组织工程打开了新的应用前景，包括促进伤口愈合、修复血管或雕刻组织的方法。
如上图所示显微镜下的一组细胞，如下图所示这组细胞可以在研究人员的操纵下做90度的旋转动作。
科学家已经知道，体内自然发生的电化学信号会影响细胞的迁移、生长和发育，这种现象被称为趋电性，英语：Electrotaxis，又称：移电性，或应电作用，指在电场或电流引导下的生物细胞的定向运动。各种各样的生物细胞可以自然地感应并遵循电场。这种电场在发育和愈合过程中自然地出现在生物组织中。
这种性质与趋化性还不一样。趋化性，英语：Chemotaxis，亦被称为化学趋向性，指身体细胞、细菌及其他单细胞、多细胞生物依据环境中某些化学物质而趋向的细胞迁移运动。在趋化性中，细胞对化学浓度差异做出反应。
普林斯顿大学研究人员所创造的这个新系统而且是由廉价且易于获得的零件组装而成，使研究人员能够以可靠且可重复的方式操纵和测量培养细胞的运动。研究人员将之称为SCHEEPDOG（牧羊犬），英文全称为：SpatiotemporalCellularHErdingwithElectrochemicalPotentialstoDynamicallyOrientGalvanotaxis，意即：时空细胞掌控与电化学势以动态定向趋电性。
研究人员表示，以前用于研究细胞对电场响应的系统“是定制的或手工制作的，存在可再现性问题，或者需要昂贵的设备使许多实验室无法使用”。“我们需要使用快速原型制作方法来制造一个定义明确的设备，只需将其夹在培养皿上即可。”
研究人员说，尽管在趋电性方面有很长的历史，但是这种现象还没有得到很好的认知。例如，证据表明，反转自然电场的方向可以抑制动物模型中的伤口愈合，而放大现有电场可以改善愈合效果。
研究人员表示：“关于单个细胞如何检测这种场还有很多未知数。”“但是，群体动态的美妙之处在于，即使不了解有关个体的一切，仍然可以在集体层面上设计行为以取得实际结果。”
如上图与下面动图所示，显示了在8个小时内对一组细胞进行的圆形动作编程（右），左边是细胞的显微镜图像，中间是该组细胞随电场方向变化而翩翩舞动的轨迹与图像。
研究人员说：“这有点像在做刻蚀素描的经典的玩具绘画，”通过旋转两个控制旋钮，就可以在任何方向上创建线条。“我们有了水平和垂直旋钮，只需使用这两个旋钮，就可以使细胞在整个二维空间中描绘出任意轨迹。”
该系统设备包含两对电极，用于在水平和垂直轴上产生电场，还包括记录探针以测量电压和集成材料，以将细胞与电极的化学副产物分离。电压水平类似于AA电池的电压水平，该电池集中在包含电池的厘米级腔内。
该团队使用了哺乳动物皮肤细胞和来自肾内膜的上皮细胞，对该系统进行了测试，这些细胞通常就是用于研究细胞的集体行为。他们发现，细胞比如在约20秒的时间窗口内，沿两个轴生成时间平均信号，例如打开垂直电场15秒，打开水平电场5秒，将导致细胞迁移更多在垂直方向上比在水平方向上。
研究人员说：“细胞感觉到的是某种虚拟角度，这使我们能够对任何复杂的动作进行编程。”“这真是令人惊讶，这是我们过去无法想象的惊人的控制水平，尤其是在成千上万个相邻细胞根据命令执行这些动作的情况下。”
塔夫茨大学（TuftsUniversity）再生与发育生物学中心的负责人、迈克尔·莱文（MichaelLevin）说，这项研究“使人们对于细胞对环境生物电方面的反应的认知向前迈进。”“它展示了一种技术，不仅可以解决单个细胞对生物电信号的反应，还可以解决细胞组的作用，这对于理解物理力如何在我们胚胎发生、再生发挥作用和癌症中所看到的那种协同作用至关重要。”
该研究团队将使用该系统扩展到不同的细胞类型和环境的研究，研究不同水平的细胞间粘附如何影响定向细胞迁移，这是如在受损组织中再生皮肤、血管和神经细胞最终应用的关键信息。
研究人员表示：“这是我们可能需要的任何治疗和再生的第一步”。“我们正在认知如何将细胞定向到需要的地方，然后我们可以弄清楚它们以后将要做什么。”
研究人员指出，运用这样的工程学原理来理解和控制细胞的趋电性，将加深对在细胞运动中、在生长和分化中的作用的了解。尽管当今最先进的组织再生技术通常涉及对新组织进行预制，但是用电场来构建组织可能会带来更大的灵活性和更好的结果。“从长远来看，这可能会提供一些非常激动人心的、全新的思维方式来处理细胞活组织。”
该最新研究成果论文发表在今天的《细胞系统》上。
参考：SCHEEPDOG:ProgrammingElectricCuestoDynamicallyHerdLarge-ScaleCellMigration,CellSystems().DOI:10./j.cels..05.