美國，加拿大和中國的工程師和科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù)，用于研究實驗室生長的3D乳腺腫瘤模型(或類器官)中的細(xì)胞的物理特性如何驅(qū)動腫瘤成為浸潤性的。該團(tuán)隊由麻省理工學(xué)院(MIT)工程系的研究人員領(lǐng)導(dǎo)，使用結(jié)合了共聚焦顯微鏡和光學(xué)鑷子的技術(shù)平臺，展示了正在生長的乳腺腫瘤類器官內(nèi)部的細(xì)胞如何小而僵硬，而細(xì)胞仍在外圍較軟且腫脹，因為它們包含更多的水。他們的研究表明，這些較柔軟的外周細(xì)胞如何更能延伸到腫瘤以外并形成“侵襲性尖端”，最終能夠分裂并擴散到其他部位或轉(zhuǎn)移。

這些發(fā)現(xiàn)為腫瘤細(xì)胞的進(jìn)化和行為提供了新的見解，這些新的見解可能指向新的抗癌治療策略，這些策略專注于改變癌細(xì)胞的物理特性以延緩甚至可能阻止腫瘤擴散。麻省理工學(xué)院機械工程學(xué)助理教授郭明說：“您可以像海綿一樣思考腫瘤。” “當(dāng)它們長大時，它們會在腫瘤內(nèi)部建立壓應(yīng)力，這會將水從核心中擠出到外部的細(xì)胞中，隨著時間的流逝，它們會慢慢溶脹并變軟，因此它們更容易侵入。”

包括MIT第一作者Yu Long Han及其同事在內(nèi)的科學(xué)家在《自然物理學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為“ 三維乳腺癌模型中的細(xì)胞腫脹，軟化和浸潤 ”的論文，描述了他們的研究結(jié)果。

作者解釋說，活細(xì)胞是經(jīng)歷各種過程的動態(tài)系統(tǒng)，包括基因表達(dá)，分子水平的細(xì)胞內(nèi)動力學(xué)和作用力，以及細(xì)胞水平的細(xì)胞收縮，變形和遷移。“在多細(xì)胞系統(tǒng)中，精確控制時空中的這些物理特性對于維持機械完整性和生物學(xué)功能至關(guān)重要。”當(dāng)這種分子和細(xì)胞水平出現(xiàn)時，會導(dǎo)致不同的疾病，發(fā)育障礙和不良的傷口修復(fù)機制不能一起正常工作。研究如何在天然的3D多細(xì)胞微環(huán)境中維持這些過程是一個真正的挑戰(zhàn)，但是迄今為止，

科學(xué)家懷疑癌細(xì)胞從原發(fā)性腫瘤中遷移出來的能力之所以如此，部分原因是它們相對較軟且柔韌，從而使它們能夠通過人體的血管系統(tǒng)導(dǎo)航至遠(yuǎn)處。盡管先前的研究已經(jīng)證明了單個癌細(xì)胞的柔軟，遷移特性，但Guo的團(tuán)隊開發(fā)了一種方法來研究細(xì)胞僵硬在3D腫瘤發(fā)展過程中的作用。

郭說：“人們長期以來一直關(guān)注單細(xì)胞，但生物是多細(xì)胞的三維系統(tǒng)。” “每個細(xì)胞都是物理構(gòu)建塊，我們對每個單個細(xì)胞如何調(diào)節(jié)自身的物理特性感興趣，因為這些細(xì)胞會發(fā)展成諸如腫瘤或器官的組織。”

研究人員使用最近開發(fā)的技術(shù)在實驗室中以3D方式生長健康的人類上皮細(xì)胞，并將其轉(zhuǎn)化為人類乳腺癌腫瘤。在一周的過程中，研究人員觀察了細(xì)胞的繁殖并融合為良性原發(fā)腫瘤，該腫瘤由數(shù)百個單個細(xì)胞組成。他們看到了如何從一個細(xì)胞開始，一個多細(xì)胞簇開始生長，并在大約10天的時間內(nèi)形成了侵入性分支。

該過程開始于單個細(xì)胞的增殖形成球形簇，然后逐漸成長為更大的橢球體，其細(xì)胞位于中心或核心，以及邊緣或外圍。隨著球體的進(jìn)一步發(fā)展，侵襲性分支從主體延伸到周圍的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)。研究人員說：“在這種3D乳腺癌模型中觀察到的表型顯示出不受控制的細(xì)胞增殖，缺乏細(xì)胞極化以及基質(zhì)浸潤的開始，就像在浸潤性導(dǎo)管癌中在體內(nèi)觀察到的那樣。”

作為實驗方法的一部分，研究人員反復(fù)向不斷增長的細(xì)胞團(tuán)中注入塑料顆粒。然后，他們使用光學(xué)鑷子探測了每個細(xì)胞的硬度。該技術(shù)涉及將高度聚焦的激光束對準(zhǔn)細(xì)胞。在這種情況下，研究小組在每個單元格內(nèi)的塑料粒子上訓(xùn)練了激光，將粒子固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。然后，他們施加了一個輕微的脈沖，試圖在細(xì)胞內(nèi)移動顆粒，類似于使用鑷子從周圍的蛋黃中挑出一塊蛋殼。

腫瘤的浸潤性取決于其水分含量和外部硬度。在第一行中，腫瘤通常朝著侵入性輪廓發(fā)展。如果從同一腫瘤(中間排)中抽出水，則與向腫瘤注入水(底部排)時相比，其浸潤性較小，從而導(dǎo)致其迅速破裂并侵入周圍組織。[于龍涵]

郭說，粒子可以移動的程度表明周圍細(xì)胞的剛度。粒子移動的阻力越大，細(xì)胞必須越堅硬。研究小組的實驗結(jié)果表明，單個良性腫瘤中的數(shù)百個細(xì)胞顯示出硬度和大小的梯度。不斷增長的團(tuán)塊內(nèi)部的細(xì)胞更小，更硬，而細(xì)胞離核心越遠(yuǎn)，它們就越柔軟，越大。這些外周細(xì)胞也更有可能從球形原發(fā)腫瘤中伸出并形成分支或侵入性尖端。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在腫瘤邊緣的細(xì)胞比在中心的細(xì)胞更柔軟，因為它們所含的水分更多。腫瘤中心的細(xì)胞被其他向內(nèi)擠壓的細(xì)胞所包圍，這些細(xì)胞通過它們之間的納米級間隙連接(GJ)通道將水從內(nèi)部細(xì)胞中擠出并進(jìn)入外圍的那些細(xì)胞中。

為了觀察改變外周細(xì)胞的水分含量是否會影響其侵襲行為，研究人員向腫瘤溶液中添加了低分子量聚合物，以將水分從細(xì)胞中抽出。他們發(fā)現(xiàn)外層細(xì)胞隨后萎縮，變得更加僵硬，并且不太可能從腫瘤中遷移出來，這是一種延遲轉(zhuǎn)移的措施。當(dāng)加水稀釋腫瘤溶液時，周圍的細(xì)胞腫脹，變軟，并更快地形成侵襲性尖端。

然后研究人員獲得了患者乳腺癌腫瘤的樣品，并測量了腫瘤樣品中每個細(xì)胞的大小。他們觀察到的大小梯度與實驗室衍生的腫瘤相似。腫瘤核心中的細(xì)胞比近端的細(xì)胞小。科學(xué)家指出：“在腫塊內(nèi)，明顯可見被基底膜圍繞的球形，腺泡狀細(xì)胞簇，它們與我們的3D癌癥模型具有相似的特征。” “在這樣的球狀腺泡簇中，我們發(fā)現(xiàn)隨著距中心的距離增加，核體積也增加，這與我們的模型系統(tǒng)一致。核心細(xì)胞的體積較小，而似乎已從主簇中逸出的浸潤細(xì)胞的體積較大。”

郭說：“我們發(fā)現(xiàn)這不僅僅是在模型系統(tǒng)中發(fā)生，而是真實的。” “這意味著我們可能能夠根據(jù)實際情況開發(fā)一些治療方法，以確定細(xì)胞的硬度或大小，看看是否有幫助。如果使細(xì)胞變硬，它們遷移的可能性就會降低，這可能會延遲入侵。”

作者指出，間隙連接在癌癥進(jìn)展中的作用尚有爭議，“在各種類型的癌癥和GJ中都觀察到了侵襲性的促進(jìn)和抑制。”他們認(rèn)為，其結(jié)果暗示著純粹的物理機制。 GJ可以影響癌癥的進(jìn)展。“細(xì)胞含水量的變化以及因此分子擁擠的程度將影響下游細(xì)胞的廣泛功能和特性……這些機械變化顯示為通過間隙連接的細(xì)胞上液流動引起的，抑制這種行為會延遲細(xì)胞的流動。過渡到侵襲性表型……如此，我們對腫瘤進(jìn)展的新興物理圖像現(xiàn)在包括細(xì)胞物理特性的3D時空演化。”

郭認(rèn)為，未來臨床醫(yī)生可能能夠觀察到腫瘤，并基于從內(nèi)到外的細(xì)胞大小和剛度，可以有把握地說出腫瘤是否會轉(zhuǎn)移。郭說：“如果存在確定的尺寸或剛度梯度，您會知道這會造成麻煩。” “如果沒有漸變，您也許可以放心地說很好。”