細胞-細胞相互作用（CCIs）是多細胞生命的基石，允許細胞在群落中存在并執行集體功能。細胞通過產生不同的分子和膜結構相互作用，激活其他細胞中的信號通路，協調基因表達，然后驅動細胞功能。這些相互作用包括結構蛋白和功能蛋白、小化合物、細胞外基質、膜突起和細胞外囊泡等。其中，與其他細胞上的同源受體結合的配體，或配體-受體相互作用（LRIs），是CCIs的主要機制。
 

相鄰細胞之間的直接物理接觸導致了宏觀上的組織和屏障結構的形成，而在微觀上，它們驅動了細胞信號通路和激活狀態的改變。在許多情況下，細胞與細胞之間的直接接觸是啟動和維持細胞通信以驅動關鍵生理過程的必要條件。對這些細胞相互作用事件的破壞和改變可能會產生嚴重的下游病理生理影響，這對治療發展尤為重要，細胞-細胞相互作用的深入了解被越來越多地用于開發臨床免疫療法，以調節和利用細胞表面的細胞間通信。

研究細胞間相互作用的技術
研究細胞-細胞相互作用的生物成分和過程的多樣性具有一系列跨學科的方法，可以分為細胞成像、基于鄰近性的化學標記、功能開發、單細胞測序和機械力分析等方法。總的來說，這些技術旨在解開關鍵的生物學問題。細胞間的相互作用發生在哪里？這些物理交互作用的空間和組織結構是什么？哪些細胞直接相互作用，在相互作用中存在什么生物分子？如何通過基因工程來利用細胞間直接相互作用的結果？機械力分析和單細胞測序對研究細胞-細胞相互作用的影響？

細胞間相互作用的可視化
光學顯微鏡作為一種可視化細胞間相互作用發生的重要手段，幫助我們理解這些相互作用背后的空間和組織結構。早期基于顯微鏡的研究，如細胞接觸界面涉及使用光學顯微鏡直接觀察海綿的細胞解離和來自高階動物的細胞聚集。此后，在顯微鏡技術和細胞表面檢測方法的幫助下，改善了細胞-細胞相互作用的成像效果，包括酶擴增和熒光試劑的開發等。

基于細胞熒光的應用，如簡化的細胞-脂質雙分子層模型、超分辨率成像方法、熒光互補策略和雙光子成像的影響，可以增強細胞-細胞相互作用的可視化和跟蹤。通過使用粘附于玻璃板上的平面脂質雙分子層（SLBs），目前已經成功地研究了細胞-細胞界面上的配體-受體相互作用動力學。SLBs中加入熒光標記的蛋白質，以促進蛋白質運動和組織的成像，可以在細胞-細胞相互作用中跟蹤，對于研究免疫突觸動力學尤其重要（圖2）。

 

在細胞接觸環境中激活標記探針可以了解細胞相互作用以及哪些蛋白質和其他生物分子存在于細胞-細胞界面。化學標記包括使用某種酶或小分子催化劑，通過附著在表面蛋白質上來導向細胞-細胞相互作用的環境。然后通過適當的刺激激活催化劑，誘導用含有生物素的探針標記鄰近底物，用于通過質譜、凝膠成像、顯微鏡、流式細胞術或基因測序方法進行檢測和下游分析。細胞間化學標記策略大致分為兩類，接觸依賴和非接觸依賴，取決于細胞上的催化劑和鄰近細胞上的基質之間的物理相互作用是否需要誘導標記。接觸依賴標記技術需要一個細胞表面的酶和相鄰細胞上的受體底物直接接觸，以便進行細胞間接近標記（圖3）。非接觸依賴標記產生高反應性的標簽，并擴散到周圍環境之外（圖4）。

基于鄰近性的化學標記
近端細胞之間的細胞-細胞相互作用（CCIs）可以通過標記方法進行評估，標記方法可以是依靠酶催化探針與受體的結合，以依賴接觸的方式標記 LRIs（圖5 c），也可以是通過催化劑誘導高活性狀態的可擴散標記，以不依賴接觸的方式標記 LRIs（圖5 d）。合成受體可以被設計成在每次與發送細胞產生的特定配體相互作用時，在受體細胞內誘導感興趣的轉錄反應。例如，發送細胞中的膜結合綠色熒光蛋白（GFP）可以與抗GFP（a-GFP）納米抗體和Notch受體合成受體一起使用。這種合成受體可以幫助跟蹤體內信號發送者-接收者之間的相互作用（圖5 e）。

單細胞基因表達分析
細胞之間的分子相互作用決定了大多數細胞表型。轉錄組學提供了豐富的信息，可用于推斷細胞間的相互作用，從而發現細胞在其群落中的作用。目前，可通過更復雜的算法考慮細胞的異質性和空間組織、多種配體類型和細胞內信號事件，并能夠使用更大、更復雜的數據集，包括單細胞和空間轉錄組學。

使用單細胞RNA測序（scRNA-seq）的計算工具主要應用于差異基因分析，即把單細胞聚合成細胞簇或細胞類型。這種方法有效地處理了scRNA-seq中每個細胞中測量的轉錄本稀少的問題。然而，最新方法可以實現在真正的單細胞分辨率下處理這些數據（圖6），推斷出單個細胞對之間的通信。以單細胞分辨率分析CCIs可以深入了解單細胞之間以及細胞群內部的相互作用異質性。

以上是涉及到細胞-細胞相互作用的生物成分和過程的一系列跨學科的方法，其中細胞間相互作用的可視化作為重要方法，包括顯微鏡成像與熒光蛋白和小分子熒光團相結合的細胞-細胞可視化方法、基于鄰近性的細胞間化學標記方法等，可繪制細胞-細胞接觸環境，以及以細胞工程為基礎、在功能上利用細胞間相互作用的策略，不僅在分子水平上深入了解了細胞-細胞接觸環境，還對細胞的治療開發產生了影響。

探索細胞-細胞界面的技術的發展帶來了關于細胞-細胞相互作用生物學的大量信息，然而要更全面地理解細胞間相互作用背后的生化事件，仍然存在許多挑戰，如監測發生物理接觸的細胞的形成、繁殖和脫離的動態過程。
 
那么有什么新工具可以彌補這些不足，助力于細胞間相互作用的監測呢？
 
奎克泰生物的JuLI™系列實時活細胞成像分析系統能夠為監測細胞間相互作用提供所需要的工具。JuLI™系列設備操作簡單，無需復雜人工操作，省時省力；無需頻繁取出樣本觀察，提供穩定的生長環境；實時觀察，延時記錄，全面呈現類器官培養情況，獲取大量數據進行分析。JuLI™ Stage配備GFP、RFP與DAPI三色熒光通道，可實時熒光成像和延時拍攝，基于圖像軟件，可檢測熒光強度。

通過活細胞成像分析系統，滿足了對活細胞開展實時成像的需求，具有廣泛的應用前景，為體外研究細胞間相互作用，監測細胞間相互作用動態過程提供了一個新技術。

參考文獻
[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)