Advances in cancer mechanobiology: Metastasis, mechanics, and materials

Keywords: tumor microenvironment, shear stress, tension and strain, solid stress and compression, bioengineering strategies.

腫瘤微環(huán)境中的機械力（剪切應(yīng)力、張力與應(yīng)變、固體應(yīng)力與壓縮）通過影響腫瘤細胞與環(huán)境的相互作用，在轉(zhuǎn)移級聯(lián)的各個階段（生長、遷移、定植）發(fā)揮作用。整合多力場的模型系統(tǒng)已逐步揭示腫瘤細胞的機械感知機制，而引入時間維度和機械記憶將成為未來研究的重要方向。開發(fā)創(chuàng)新材料與體外系統(tǒng)，是推動癌癥轉(zhuǎn)移預(yù)測與干預(yù)研究的核心路徑。

基于此，美國得克薩斯農(nóng)工大學生物醫(yī)學工程系的研究團隊在APL bioengineering期刊，發(fā)表了題為“Advances in cancer mechanobiology: Metastasis, mechanics, and materials”的文章。文章探討了用于研究機械力在轉(zhuǎn)移級聯(lián)中作用的新型模型，分別分析了不同類型機械力的研究模型，特別關(guān)注了卵巢癌、結(jié)直腸癌等研究不足的癌種，并結(jié)合其發(fā)病率進行了探討（表 1），最后介紹了整合多種力的系統(tǒng)，強調(diào)創(chuàng)新材料和體外系統(tǒng)對癌癥防治研究的重要性。

表1    施加于卵巢癌和結(jié)直腸癌細胞的機械力總結(jié)。

轉(zhuǎn)移的力學機制

轉(zhuǎn)移級聯(lián)是腫瘤細胞從原發(fā)部位逃脫并定植遠端器官的過程，其中血行轉(zhuǎn)移主要包括局部侵襲、內(nèi)滲進入血管、循環(huán)遷移及外滲至遠處器官四個步驟。對轉(zhuǎn)移力學機制的研究聚焦于細胞如何突破空間限制并完成遠距離定植，這一過程的解析對理解腫瘤進展至關(guān)重要。

機械力貫穿癌癥從實體瘤形成、轉(zhuǎn)移細胞簇游離到遠處定植的全程（圖 1），通過機械感受器調(diào)控細胞形態(tài)、信號傳導(dǎo)及 EMT 等過程。腫瘤微環(huán)境中的機械力可分為剪切應(yīng)力、張力與應(yīng)變、固體應(yīng)力與壓縮三類（圖 1），細胞實際承受的是多種應(yīng)力的復(fù)合作用。當前研究通過模塊化模型解析各類機械力的作用，但不同癌種的研究存在顯著差異：部分癌種的機械力機制已被深入探討，而另一些（如先前提及的卵巢癌、結(jié)直腸癌）仍處于研究空白。該領(lǐng)域的突破需進一步聚焦機械力的組合效應(yīng)與癌種特異性機制。

圖1    轉(zhuǎn)移級聯(lián)。

在癌癥轉(zhuǎn)移級聯(lián)中，各類機械力對腫瘤微環(huán)境（TME）和癌細胞行為有不同影響：流體剪切應(yīng)力在血管中癌細胞循環(huán)及結(jié)直腸、卵巢等癌種的微環(huán)境流體中起主導(dǎo)作用；機械應(yīng)變和張力通過細胞外基質(zhì)硬度、組織周期性運動等影響腫瘤發(fā)生與轉(zhuǎn)移，且基質(zhì)硬度異常會形成惡性循環(huán)；固體應(yīng)力由腫瘤生長導(dǎo)致的內(nèi)部壓縮和間質(zhì)壓力升高引起，促使癌細胞遷移以緩解壓力。由于各類機械力在轉(zhuǎn)移過程中與 TME 互作，因此需開發(fā)集成生物材料和組織模型來體外模擬這些力學作用，以深入研究轉(zhuǎn)移力學生物學。傳統(tǒng)癌癥力學生物學研究多采用二維模型系統(tǒng)，雖對早期研究有重要意義，但腫瘤微環(huán)境是三維結(jié)構(gòu)，三維體外模型系統(tǒng)能更好展現(xiàn)細胞在真實環(huán)境中的生物學特性，因此研究逐漸轉(zhuǎn)向三維模型。

研究癌細胞對剪切應(yīng)力響應(yīng)的生物工程策略

流體剪切力通過促進癌細胞循環(huán)擴散、誘導(dǎo)基因組不穩(wěn)定、激活機械感受器（如 YAP1）等機制推動腫瘤轉(zhuǎn)移，在乳腺癌、卵巢癌和結(jié)直腸癌中已通過體外研究證實。其具體作用包括引發(fā)細胞形態(tài)與增殖能力改變、誘導(dǎo)基因重編程為干細胞樣狀態(tài)。當前，隨著剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)移機制研究的深入，亟需創(chuàng)新體外模型系統(tǒng)來模擬這種力學- 細胞互作關(guān)系，為抗轉(zhuǎn)移策略開發(fā)提供研究基礎(chǔ)。

器官芯片和微流控技術(shù)是研究機械力與癌癥相互作用的新興重要手段。器官芯片通過微流控通道精準調(diào)控空間結(jié)構(gòu)、機械力及細胞間相互作用，能高度模擬體內(nèi)環(huán)境，如結(jié)直腸癌微芯片研究發(fā)現(xiàn)流體剪切應(yīng)力可降低上皮鈣黏蛋白、增加波形蛋白并增強細胞侵襲力，且通過整合多種因素重現(xiàn)體內(nèi)微環(huán)境，但微工程的復(fù)雜性限制了其廣泛應(yīng)用。簡化的微流控模型則在機制解析上發(fā)揮作用，如在宮頸癌細胞中發(fā)現(xiàn) 0.01–10 dyne/cm2 的剪切應(yīng)力可增強干性基因表達促進間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，結(jié)直腸癌細胞中 0–20 dyne/cm2 的層流剪切應(yīng)力能上調(diào)機械感受器 ATOH8 以增強循環(huán)腫瘤細胞存活（圖 2），模擬血流剪切的乳腺癌細胞模型也證實了剪切力對上皮 - 間質(zhì)轉(zhuǎn)化的推動作用。盡管微流控和器官芯片技術(shù)在精準模擬上作用較大，但大規(guī)模模型因操作更友好成為研究新方向，未來需結(jié)合兩者優(yōu)勢來深入揭示剪切應(yīng)力與細胞轉(zhuǎn)移存活的關(guān)系。

圖2    生物工程策略：用于評估機械力對癌細胞影響的各種模型和裝置示意圖。

在腫瘤轉(zhuǎn)移的力學機制研究中，剪切應(yīng)力作為關(guān)鍵機械力之一，其體外模型構(gòu)建與機制解析已取得顯著進展。大規(guī)模生物反應(yīng)器憑借操作便捷和廣泛適用性，成為研究剪切應(yīng)力的重要工具：剪切力系統(tǒng)對骨肉瘤細胞的研究顯示，生理剪切應(yīng)力可恢復(fù)成骨基因表達，為腫瘤流體調(diào)控治療提供新思路；Fuh 等人的平行板流動系統(tǒng)證實，剪切應(yīng)力能上調(diào)乳腺癌細胞 EMT 標志物并增強侵襲力，且該系統(tǒng)可模擬淋巴管等不同生物環(huán)境；Mitchell 等采用的錐板粘度計系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，生理剪切應(yīng)力可增強結(jié)直腸癌細胞對凋亡劑的敏感性，結(jié)合自然殺傷細胞的研究更開創(chuàng)了免疫 - 力學聯(lián)合治療新方向。盡管此類模型在流體控制精度上存在不足，但其有效彌補了微流控技術(shù)的復(fù)雜性缺陷，與器官芯片等形成互補。

間質(zhì)流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力通過營養(yǎng)運輸和促進細胞遷移推動腫瘤進展，可調(diào)式微流控裝置已證實間質(zhì)流剪切應(yīng)力可通過激活 PI3K 誘導(dǎo)腫瘤細胞侵襲。然而，腫瘤生長伴隨的間質(zhì)液壓力升高通過剪切應(yīng)力和壓力梯度雙重作用影響癌細胞，Piotrowski-Daspit 等開發(fā)的三維工程化腫瘤模型揭示，間質(zhì)液壓力可通過調(diào)控 EMT 基因特征促進癌細胞集體遷移。當前整合剪切應(yīng)力與間質(zhì)流壓力的研究仍較匱乏，需在未來研究中深入探索兩者的協(xié)同機制。

在研究剪切應(yīng)力對腫瘤進展與轉(zhuǎn)移的作用時，3D 培養(yǎng)系統(tǒng)較2D 模型能更精準模擬腫瘤微環(huán)境的生理參數(shù)，其能納入更多生理相關(guān)變量，匹配腫瘤微環(huán)境的形態(tài)和模量。Novak 等人的3D 生物反應(yīng)器證實剪切應(yīng)力可增強乳腺癌細胞的侵襲與耐藥性，Rizvi 等的 3D 卵巢癌結(jié)節(jié)模型發(fā)現(xiàn)流體流動能誘導(dǎo)EMT 及細胞異質(zhì)性。未來將3D 培養(yǎng)與生物反應(yīng)器、生物打印和器官芯片系統(tǒng)等施加力的方法相結(jié)合，是體外模擬剪切應(yīng)力等機械力的重要發(fā)展方向。

此外，剪切應(yīng)力研究需明確組織相互作用需求、流體控制精度等參數(shù)，先通過簡單模型建立基礎(chǔ)認知，再借助微技術(shù)進步整合仿生要素與器官芯片，以全面解析剪切應(yīng)力介導(dǎo)的轉(zhuǎn)移機制，為抗轉(zhuǎn)移治療提供新靶點。

研究癌細胞對張力與應(yīng)變響應(yīng)的生物工程策略

在腫瘤力學生物學研究中，張力與應(yīng)變力通過細胞外基質(zhì)（ECM）硬度變化或外部機械拉伸作用于癌細胞，其促轉(zhuǎn)移機制在乳腺癌等癌種中已被部分認知，但細胞感知此類力學信號的具體通路仍不明確。應(yīng)變作用模式主要分為兩類：一是腫瘤生長導(dǎo)致 ECM 硬化引發(fā)的細胞骨架拉伸力，二是組織蠕動等生物運動產(chǎn)生的外部機械應(yīng)變。

由于拉伸力與腫瘤微環(huán)境的互作機制復(fù)雜，研究人員開發(fā)了多種針對性體外模型：在基于 ECM 硬度的應(yīng)變研究中，傳統(tǒng)硬質(zhì)培養(yǎng)皿因無法模擬體內(nèi)組織硬度與模量，被二維和三維模型系統(tǒng)取代，如Kopanska 等人的三維 CT26 腫瘤球體嵌入仿生 I 型膠原基質(zhì)模型，發(fā)現(xiàn)細胞收縮力使ECM 變形產(chǎn)生徑向拉伸力促進侵襲，提出與傳統(tǒng)彈性模量模型相矛盾的張力模型，證實ECM 拉伸力是癌細胞侵襲及轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素；Cassereau 等人的三維張力生物反應(yīng)器通過調(diào)控膠原水凝膠硬度（0.4–4 kPa），排除成分、孔徑等變量后，證實ECM 硬度可獨立增強乳腺類器官腫瘤細胞侵襲；Woods 等人利用微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶修飾的明膠水凝膠，發(fā)現(xiàn)乳腺成纖維細胞等基質(zhì)細胞響應(yīng)ECM 順應(yīng)性變化激活為肌成纖維細胞狀態(tài)，促進乳腺癌轉(zhuǎn)移，為靶向ECM 硬度的腫瘤治療提供新思路。

在生物現(xiàn)象引發(fā)的應(yīng)變研究中，其包括單軸（如骨骼?。┖投噍S（如結(jié)腸）應(yīng)變，結(jié)腸中多為周期性蠕動相關(guān)力，研究人員設(shè)計可調(diào)生物反應(yīng)器模擬雙軸應(yīng)變，用器官芯片技術(shù)同步研究周期性蠕動的剪切應(yīng)力與應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)機械刺激顯著增強結(jié)直腸癌細胞侵襲能力，液壓力芯片模型通過可變形基質(zhì)研究周期性拉伸對肌成纖維細胞的作用，發(fā)現(xiàn)其通過減少 α 平滑肌肌動蛋白抑制肺癌細胞遷移；應(yīng)變裝置證實振蕩應(yīng)變促進乳腺癌細胞增殖遷移、振蕩張力增強卵巢癌細胞增殖與轉(zhuǎn)移表型。這些模型表明，3D 和多細胞模型因能更好重現(xiàn)體內(nèi)腫瘤微環(huán)境中細胞間的協(xié)同作用，在研究癌癥轉(zhuǎn)移上比2D 單層培養(yǎng)更具優(yōu)勢。未來需整合生物反應(yīng)器、器官芯片和ECM 聚焦模型等技術(shù)，在3D 培養(yǎng)中探究器官功能與ECM 收縮產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變和癌細胞侵襲潛能的聯(lián)系，以全面理解應(yīng)變與癌癥惡性程度的關(guān)系。

研究癌細胞對固體應(yīng)力和壓縮響應(yīng)的生物工程策略

在腫瘤微環(huán)境中，固體應(yīng)力和壓縮力隨腫瘤生長而增加，會降低癌細胞增殖、減少凋亡，同時升高間質(zhì)壓力，還能上調(diào)乳腺癌和卵巢癌細胞的EMT 基因表達并增強其遷移能力，由于癌細胞在此環(huán)境下受多軸力作用，3D 模型更適合模擬研究。

目前體外壓縮研究通過生物材料、生物反應(yīng)器和微型化等平臺開展：Tse 等人用活塞施壓裝置發(fā)現(xiàn)恒定壓力能刺激乳腺癌細胞遷移；Klymenko 等人借助壓縮系統(tǒng)模擬腹水壓力對卵巢癌多細胞聚集體施加壓縮力（圖 2），證實短期和長期壓縮對卵巢癌多細胞聚集體的EMT 基因表達有不同影響，長期壓縮可能促使細胞向高轉(zhuǎn)移性表型轉(zhuǎn)變；Novak 等人利用3D 生物反應(yīng)器施加 3.9–6.5 kPa 的靜水壓力（圖 2） ，發(fā)現(xiàn)周期性和靜態(tài)壓縮均能通過 CDC42 誘導(dǎo)卵巢癌細胞的侵襲性形態(tài)、增殖和耐藥性；在膠質(zhì)母細胞瘤研究中，定制壓縮生物反應(yīng)器幫助發(fā)現(xiàn)可降低間質(zhì)液壓力的抗分泌因子，有望成為抗腫瘤靶點。這些研究通過多種模型模擬生理壓縮力，揭示其對癌細胞行為的復(fù)雜影響機制。

小規(guī)模工程技術(shù)可用于體外模擬腫瘤生理壓縮環(huán)境，如Onal 等人利用PDMS 膜構(gòu)建的微活塞平臺，通過調(diào)控壓力大小、作用時間、致動器參數(shù)等實現(xiàn)動態(tài)壓縮刺激，在對SKOV-3 卵巢癌細胞的研究中觀察到細胞核與肌動蛋白的變形模式，后續(xù)將擴展細胞類型和下游分析以探索其在卵巢癌腹腔轉(zhuǎn)移中的作用。現(xiàn)有研究表明壓縮力和固體應(yīng)力對多種癌細胞有影響，未來需在壓縮研究中整合更多腫瘤微環(huán)境特征，以解析其與ECM、癌細胞及其他細胞類型的復(fù)雜互作機制。

機械力的協(xié)同作用

腫瘤微環(huán)境及轉(zhuǎn)移過程中的機械力并非以單一尺度獨立作用，而是使腫瘤細胞同時或相繼承受亞細胞至組織等多尺度的力學刺激，其整體響應(yīng)取決于力的組合與施加順序，且一種力的下游效應(yīng)會影響另一種力對腫瘤的作用，如細胞間張力與間質(zhì)液壓力梯度協(xié)同增強腫瘤耐藥與轉(zhuǎn)移能力，腫瘤生長產(chǎn)生的固體應(yīng)力壓縮血管后促進血管生成，進而形成加速腫瘤生長的正反饋循環(huán)。這種多力交織的復(fù)雜效應(yīng)需借助創(chuàng)新的組合研究模型探究，但模擬多種生理力的實驗?zāi)Ｐ鸵驈?fù)雜性存在應(yīng)用障礙，計算模型又受限于對未被數(shù)學建模的生理因素的描述，因此未來需結(jié)合體外生理模型與計算方法，通過多學科交叉揭示機械力協(xié)同調(diào)控腫瘤惡性程度的機制，為抗轉(zhuǎn)移治療提供新方向。

當前所有體外培養(yǎng)系統(tǒng)中天然存在多種機械力（如基質(zhì)硬度、換液剪切應(yīng)力等），傳統(tǒng)研究中這些力常作為干擾變量，而現(xiàn)代模型正將其轉(zhuǎn)化為可控實驗變量，如Clevenger 等人構(gòu)建的多軸應(yīng)變 - 剪切應(yīng)力生物反應(yīng)器，可模擬結(jié)腸蠕動并發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌細胞在復(fù)合力作用下進展加速；Meza 等人開發(fā)的錐板- 膜抽吸裝置，也可改編用于分析復(fù)合力與癌癥惡性程度的關(guān)系。盡管此類復(fù)合力模型能提升生理相關(guān)性，但數(shù)量有限，未來需納入更多精準重現(xiàn)的生物機械力以深化研究。

此外，時間維度作為尚未充分探索的重要領(lǐng)域，其對機械力與癌癥惡性程度的作用逐漸顯現(xiàn)：晝夜節(jié)律影響結(jié)腸應(yīng)變和循環(huán)系統(tǒng)流體流速，進而可能調(diào)控癌細胞行為，但相關(guān)機制尚未明確。癌細胞的機械記憶現(xiàn)象（對歷史機械刺激的持續(xù)響應(yīng)）已被發(fā)現(xiàn)，但研究多聚焦功能表型，缺乏對分子和表觀遺傳機制的解析，需結(jié)合動態(tài)材料（如可降解水凝膠）與跨學科方法（細胞生物學、生物信息學）深入探索。

總之，剪切應(yīng)力、張力與固體應(yīng)力均會對癌細胞的轉(zhuǎn)移能力產(chǎn)生作用，而核心問題在于這些機械力究竟如何具體調(diào)控細胞轉(zhuǎn)移過程。值得關(guān)注的是，先進技術(shù)正為研究細胞響應(yīng)機械力的過程提供新方法——通過解析機械力與細胞轉(zhuǎn)移的作用機制，能夠更深入地理解癌癥進展與轉(zhuǎn)移的檢測、治療及預(yù)防策略，為突破現(xiàn)有研究瓶頸和臨床轉(zhuǎn)化提供關(guān)鍵思路。

參考文獻：Clevenger AJ, McFarlin MK, Gorley JPM, Solberg SC, Madyastha AK, Raghavan SA. Advances in cancer mechanobiology: Metastasis, mechanics, and materials. APL Bioeng. 2024 Mar 5;8(1):011502. doi: 10.1063/5.0186042. PMID: 38449522; PMCID: PMC10917464.

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