癌細(xì)胞是其環(huán)境的產(chǎn)物。周圍的細(xì)胞，細(xì)胞外基質(zhì)和其他特征會影響疾病的進展以及癌細(xì)胞向身體其他部位的擴散。對營養(yǎng)成分和氧氣的存在等化學(xué)線索進行了數(shù)十年的研究，但是最近，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向了同樣重要的物理線索。

有關(guān)腫瘤機械微環(huán)境的新研究將在2020年3月在丹佛舉行的美國物理學(xué)會會議上發(fā)表。重點包括研究細(xì)胞外基質(zhì)的各向異性如何影響癌細(xì)胞遷移的研究，基于新穎的基于光學(xué)鑷子的工具來探測機械線索，以及在腫瘤內(nèi)尋找最佳位置以注射化學(xué)藥物的模型。

機械提示驅(qū)動轉(zhuǎn)移

俄勒岡州立大學(xué)研究員Bo Sun將介紹他的發(fā)現(xiàn)，涉及癌細(xì)胞遷移與細(xì)胞外基質(zhì)，膠原蛋白，蛋白質(zhì)和其他支持周圍細(xì)胞的分子的3D網(wǎng)絡(luò)之間的復(fù)雜相互作用。具體來說，他將討論細(xì)胞外基質(zhì)的各向異性，以及膠原纖維的特定排列如何形成癌細(xì)胞的高速公路。

迄今為止，對于該領(lǐng)域的大多數(shù)研究而言，主要的范例是組織環(huán)境的剛性是指導(dǎo)細(xì)胞遷??移的主要因素。與軟區(qū)域相比，該單元希望移動到更剛性的區(qū)域。我們看到，在引導(dǎo)細(xì)胞遷移方面，另一種類型的物理特性，即環(huán)境的各向異性，效率更高。”

例如，沿腫瘤周向排列的膠原纖維會導(dǎo)致癌細(xì)胞被這種排列捕獲，而沿徑向排列的纖維則為細(xì)胞向外遷移提供了一條無摩擦的通道。研究細(xì)胞在其環(huán)境中的移動方式以及驅(qū)動該移動的因素是對理解癌細(xì)胞如何滲透到人體新區(qū)域的啟示。

用光鑷探測組織

生物物理學(xué)家坎迪斯·坦納(Kandice Tanner)重新設(shè)計了一種工具，以測量可能影響腫瘤細(xì)胞向不同器官的傳播方式的機械提示。基于光學(xué)鑷子的技術(shù)可以以微米級分辨率探測活體動物細(xì)胞的物理特性。

“以前，組織，細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)水凝膠的機械性能表征主要是使用體積流變或納米級技術(shù)(例如原子力顯微鏡)獲得的，并且主要用于體外系統(tǒng)，”美國國家癌癥研究所的研究人員Tanner說，美國國立衛(wèi)生研究院的一部分。“這些技術(shù)對于評估材料性能很有用，但不具備解析與細(xì)胞用于響應(yīng)外部線索的微米級突起兼容的長度尺度所需的分辨率。”

Tanner和她的同事采用了該技術(shù)來測量活斑馬魚中的組織的粘彈性特性和乳腺癌進展的3D培養(yǎng)模型。對于后一個項目，他們使用了基于光阱的主動微流變技術(shù)，以幾乎同時的方式繪制了內(nèi)部細(xì)胞和外部細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)圖。他們發(fā)現(xiàn)，與健康細(xì)胞不同，乳腺腫瘤細(xì)胞的機械性能與周圍的微環(huán)境不匹配。

坦納說：“隨著癌細(xì)胞從其原始的原發(fā)腫瘤中遷移出來，它們會遇到許多物理提示，然后才能在患者的骨骼，腦，肝或肺等不同器官中建立新的病變。” “我們相信，通過解讀物理線索的作用，我們可以理解為什么某些腫瘤細(xì)胞能夠定居一個器官而不是另一個器官。”

變形細(xì)胞

盡管實驗室實驗中模擬的細(xì)胞外基質(zhì)幾乎是純彈性的(一旦消除壓力，它就會彈回其原始形式)，而腦，肝和其他組織的支架卻沒有。在這些區(qū)域中，細(xì)胞外基質(zhì)同時具有粘性和彈性特征。哈佛大學(xué)的研究人員Anupam Gupta將介紹細(xì)胞外基質(zhì)的粘彈性如何將正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞的研究。

古普塔和他的同事們觀察到，增加細(xì)胞外基質(zhì)的流動性會導(dǎo)致正常的乳腺細(xì)胞失去球形，形成粗糙的界面，并發(fā)展手指。基于這些結(jié)果，他們創(chuàng)建了細(xì)胞力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，該模型顯示隨著粘度或彈性的增加，手指的形成停止了。

模擬癌癥藥物反應(yīng)

癌癥治療嚴(yán)重依賴于反復(fù)試驗，這可能導(dǎo)致不必要的毒性和費用。預(yù)測癌癥藥物如何在整個腫瘤中擴散的模型為腫瘤科醫(yī)生提供了可能的解決方案。Aminur Ra??hman開發(fā)了這類藥物反應(yīng)的機理模型，作為腫瘤學(xué)家在施用任何藥物之前選擇最有效治療方法的一種方法。

德州理工大學(xué)博士后研究員拉赫曼說：“我們的機理模型能夠產(chǎn)生劑量反應(yīng)曲線，腫瘤學(xué)家會從細(xì)胞系和藥物數(shù)據(jù)對中看到。” “我們意識到也許這項研究可以用于計算機輔助治療策略。”

他將在海報展示中介紹多個項目的結(jié)果。第一個研究了直接注射到實體瘤中后藥物分布的模型及其對癌細(xì)胞死亡的影響。盡管該模型假設(shè)腫瘤是球形且均質(zhì)的，但腦腫瘤尤其傾向于高度不均質(zhì)和各向異性。第二項研究使用實際擴散張量MRI數(shù)據(jù)開發(fā)了用于非均質(zhì)各向異性藥物擴散的更復(fù)雜的計算模型。

拉赫曼說：“由于腫瘤的不均勻性和各向異性，該中心可能不是注射藥物的最佳場所。” “我們研究了不同的注射部位，沒有必要由這個中心來解決問題。在這種情況下，擁有一個模型可以幫助腫瘤科醫(yī)生知道在哪里注射藥物。