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（剪切應力、張力與應變、固體應力與壓縮）通過影響腫瘤細胞與環(huán)境的相互作用，在轉移級聯(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)，是推動癌癥轉移預測與干預研究的核心路徑。

基于此，美國得克薩斯農工大學生物醫(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，特別關注了卵巢癌、結直腸癌等研究不足的癌種，并結合其發(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    施加于卵巢癌和結直腸癌細胞的機械力總結。

轉移的力學機制

轉移級聯(lián)是腫瘤細胞從原發(fā)部位逃脫并定植遠端器官的過程，其中血行轉移主要包括局部侵襲、內滲進入血管、循環(huán)遷移及外滲至遠處器官四個步驟。對轉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重要。

機械力貫穿癌癥從實體瘤形成、轉移細胞簇游離到遠處定植的全程（圖 1），通過機械感受器調控細胞形態(tài)、信號傳導及 EMT 等過程。腫瘤微環(huán)境中的機械力可分為剪切應力、張力與應變、固體應力與壓縮三類（圖 1），細胞實際承受的是多種應力的復合作用。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、結直腸癌）仍處于研究空白。該領域的突破需進一步聚焦機械力的組合效應與癌種特異性機制。

圖1    轉移級聯(lián)。

在癌癥轉移級聯(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：流體剪切應力在血管中癌細胞循環(huán)及結直腸、卵巢等癌種的微環(huán)境流體中起主導作用；機械應變和張力通過細胞外基質硬度、組織周期性運動等影響腫瘤發(fā)生與轉移，且基質硬度異常會形成惡性循環(huán)；固體應力由腫瘤生長導致的內部壓縮和間質壓力升高引起，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)境是三維結構，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，因此研究逐漸轉向三維模型。

研究癌細胞對剪切應力響應的生物工程策略

流體剪切力通過促進癌細胞循環(huán)擴散、誘導基因組不穩(wěn)定、激活機械感受器（如 YAP1）等機制推動腫瘤轉移，在乳腺癌、卵巢癌和結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、誘導基因重編程為干細胞樣狀態(tài)。當前，隨著剪切應力與轉移機制研究的深入，亟需創(chuàng)新體外模型系統(tǒng)來模擬這種力學- 細胞互作關系，為抗轉移策略開發(fā)提供研究基礎。

器官芯片和微流控技術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控空間結構、機械力及細胞間相互作用，能高度模擬體內環(huán)境，如結直腸癌微芯片研究發(fā)現(xiàn)流體剪切應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)體內微環(huán)境，但微工程的復雜性限制了其廣泛應用。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 的剪切應力可增強干性基因表達促進間充質轉化，結直腸癌細胞中 0–20 dyne/cm2 的層流剪切應力能上調機械感受器 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 - 間質轉化的推動作用。盡管微流控和器官芯片技術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，未來需結合兩者優(yōu)勢來深入揭示剪切應力與細胞轉移存活的關系。

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。

在腫瘤轉移的力學機制研究中，剪切應力作為關鍵機械力之一，其體外模型構建與機制解析已取得顯著進展。大規(guī)模生物反應器憑借操作便捷和廣泛適用性，成為研究剪切應力的重要工具：剪切力系統(tǒng)對骨肉瘤細胞的研究顯示，生理剪切應力可恢復成骨基因表達，為腫瘤流體調控治療提供新思路；Fuh 等人的平行板流動系統(tǒng)證實，剪切應力能上調乳腺癌細胞 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)，生理剪切應力可增強結直腸癌細胞對凋亡劑的敏感性，結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的復雜性缺陷，與器官芯片等形成互補。

間質流產生的剪切應力通過營養(yǎng)運輸和促進細胞遷移推動腫瘤進展，可調式微流控裝置已證實間質流剪切應力可通過激活 PI3K 誘導腫瘤細胞侵襲。然而，腫瘤生長伴隨的間質液壓力升高通過剪切應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，間質液壓力可通過調控 EMT 基因特征促進癌細胞集體遷移。當前整合剪切應力與間質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。

在研究剪切應力對腫瘤進展與轉移的作用時，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 生物反應器證實剪切應力可增強乳腺癌細胞的侵襲與耐藥性，Rizvi 等的 3D 卵巢癌結節(jié)模型發(fā)現(xiàn)流體流動能誘導EMT 及細胞異質性。未來將3D 培養(yǎng)與生物反應器、生物打印和器官芯片系統(tǒng)等施加力的方法相結合，是體外模擬剪切應力等機械力的重要發(fā)展方向。

此外，剪切應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認知，再借助微技術進步整合仿生要素與器官芯片，以全面解析剪切應力介導的轉移機制，為抗轉移治療提供新靶點。

研究癌細胞對張力與應變響應的生物工程策略

在腫瘤力學生物學研究中，張力與應變力通過細胞外基質（ECM）硬度變化或外部機械拉伸作用于癌細胞，其促轉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。應變作用模式主要分為兩類：一是腫瘤生長導致 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生的外部機械應變。

由于拉伸力與腫瘤微環(huán)境的互作機制復雜，研究人員開發(fā)了多種針對性體外模型：在基于 ECM 硬度的應變研究中，傳統(tǒng)硬質培養(yǎng)皿因無法模擬體內組織硬度與模量，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 型膠原基質模型，發(fā)現(xiàn)細胞收縮力使ECM 變形產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移的關鍵因素；Cassereau 等人的三維張力生物反應器通過調控膠原水凝膠硬度（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細胞響應ECM 順應性變化激活為肌成纖維細胞狀態(tài)，促進乳腺癌轉移，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)的應變研究中，其包括單軸（如骨骼?。┖投噍S（如結腸）應變，結腸中多為周期性蠕動相關力，研究人員設計可調生物反應器模擬雙軸應變，用器官芯片技術同步研究周期性蠕動的剪切應力與應變，發(fā)現(xiàn)機械刺激顯著增強結直腸癌細胞侵襲能力，液壓力芯片模型通過可變形基質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；應變裝置證實振蕩應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)體內腫瘤微環(huán)境中細胞間的協(xié)同作用，在研究癌癥轉移上比2D 單層培養(yǎng)更具優(yōu)勢。未來需整合生物反應器、器官芯片和ECM 聚焦模型等技術，在3D 培養(yǎng)中探究器官功能與ECM 收縮產生的拉伸應變和癌細胞侵襲潛能的聯(lián)系，以全面理解應變與癌癥惡性程度的關系。

研究癌細胞對固體應力和壓縮響應的生物工程策略

在腫瘤微環(huán)境中，固體應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，同時升高間質壓力，還能上調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移性表型轉變；Novak 等人利用3D 生物反應器施加 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 誘導卵巢癌細胞的侵襲性形態(tài)、增殖和耐藥性；在膠質母細胞瘤研究中，定制壓縮生物反應器幫助發(fā)現(xiàn)可降低間質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雜影響機制。

小規(guī)模工程技術可用于體外模擬腫瘤生理壓縮環(huán)境，如Onal 等人利用PDMS 膜構建的微活塞平臺，通過調控壓力大小、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移中的作用?，F(xiàn)有研究表明壓縮力和固體應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雜互作機制。

機械力的協(xié)同作用

腫瘤微環(huán)境及轉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，其整體響應取決于力的組合與施加順序，且一種力的下游效應會影響另一種力對腫瘤的作用，如細胞間張力與間質液壓力梯度協(xié)同增強腫瘤耐藥與轉移能力，腫瘤生長產生的固體應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)。這種多力交織的復雜效應需借助創(chuàng)新的組合研究模型探究，但模擬多種生理力的實驗模型因復雜性存在應用障礙，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)同調控腫瘤惡性程度的機制，為抗轉移治療提供新方向。

當前所有體外培養(yǎng)系統(tǒng)中天然存在多種機械力（如基質硬度、換液剪切應力等），傳統(tǒng)研究中這些力常作為干擾變量，而現(xiàn)代模型正將其轉化為可控實驗變量，如Clevenger 等人構建的多軸應變 - 剪切應力生物反應器，可模擬結腸蠕動并發(fā)現(xiàn)結直腸癌細胞在復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合力與癌癥惡性程度的關系。盡管此類復合力模型能提升生理相關性，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)律影響結腸應變和循環(huán)系統(tǒng)流體流速，進而可能調控癌細胞行為，但相關機制尚未明確。癌細胞的機械記憶現(xiàn)象（對歷史機械刺激的持續(xù)響應）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，剪切應力、張力與固體應力均會對癌細胞的轉移能力產生作用，而核心問題在于這些機械力究竟如何具體調控細胞轉移過程。值得關注的是，先進技術正為研究細胞響應機械力的過程提供新方法——通過解析機械力與細胞轉移的作用機制，能夠更深入地理解癌癥進展與轉移的檢測、治療及預防策略，為突破現(xiàn)有研究瓶頸和臨床轉化提供關鍵思路。

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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