細胞作爲由大量生物分子構成的複雜系統，細胞遷移（運動）涵蓋了重要的多時空尺度複雜科學問題。細胞遷移在形态發生、傷口愈合和腫瘤轉移等生命過程中發揮了關鍵作用，因而也是物理、生物、化學、工程等跨學科交叉研究的前沿領域之一。
近期，北京師範大學系統科學學院 / 非平衡系統研究所李輝教授與合作團隊，從測量細胞内擴散動力學出發，發現了細胞調控速度和方向的遷移模式切換機制。相關成果發表在 Nature Communications 14, 5166, ( 2023 ) 。
團隊利用活細胞三維單分子跟蹤技術，實時同步觀測了角質細胞的遷移行爲以及細胞内量子點的擴散動力學，并結合了超分辨熒光顯微成像 STED、原子力顯微鏡 AFM、顯微操縱等多種實驗技術，系統研究了分子層級的胞内擴散動力學、亞細胞層級的僞足三維結構、以及細胞層級的遷移行爲三者之間的複雜關系，發現了新的細胞遷移模式，揭示了細胞速度和方向的多尺度協同調控機制。
該研究發現：
1. 細胞内的擴散速率與細胞的遷移速度呈正相關；
2. 存在一種新的細胞慢速遷移模式，細胞在快速和慢速兩種模式間可逆轉換，以調控細胞的遷移速度。與傳統的細胞快速遷移不同，慢速遷移細胞具有前高後低的闆狀僞足、胞内擴散速度降低、生物大分子局限于僞足前端的特征；
3. 在細胞的轉向運動過程中，細胞内部擴散動力學和闆狀僞足三維結構出現了左右的對稱性破缺，表現爲處于轉向外側的僞足變厚且内部擴散速度下降。
基于上述研究，團隊提出了一種細胞調控胞内局部微絲聚合以及分子擁擠程度的生物物理機制對細胞遷移模式的可逆轉換進行了解釋。
細胞遷移模式轉換的生物物理機制
李輝教授研究組長期開展生物複雜系統的動力學研究，發展了活細胞三維單分子動态成像技術和定量分析方法，探究了細胞内的輸運動力學以及細胞遷移的相關生物物理問題。李輝教授以第一 / 通訊作者将研究成果發表在 PNAS, J. Am. Chem. Soc. 等期刊，其中多篇被選爲封面。
