新视角综述从物理学角度解构肿瘤和炎症的发

多年来，肿瘤和炎症研究一直局限在生物学领域。近期德国莱比锡大学生物物理系的Mierke教授从力学角度为我们介绍了肿瘤和炎症发展的具体过程，该文章近期在线发表在Reportsonprogressinphysics杂志上。

关于细胞力学特性（mechanicalproperties）在肿瘤和炎症发生过程中所起的作用目前仍处于研究之中，肿瘤学综述或免疫学综述也经常忽略这一点。特别是，目前肿瘤的八大“经典”特征已经公布于世，却迟迟不见肿瘤发生发展背后的那个巨大推动者-细胞力学特性。

为了更好地定义肿瘤恶性转化、更彻底地研究肿瘤发生发展背后的功能性通路，十分有必要将肿瘤细胞、细胞外基质等微环境、成纤维细胞、巨噬细胞或内皮细胞等嵌入式细胞的力学特性纳入肿瘤经典特征。

为此，该文将从生物物理学视角综述当前的肿瘤研究现状，并详细介绍用于肿瘤细胞侵袭和炎症发展的物理学和生物物理学研究方法。由于肿瘤细胞或免疫细胞通常限定在一个特定的微环境，例如细胞外基质，微环境变化可能影响肿瘤细胞或免疫细胞的力学特性，所以微环境的力学特性同样不能忽略。

该文主要探讨实验性或理论性的生物物理学（biophysical）途径对肿瘤和炎症经典标志的影响。此外，还探讨了这些生物物理学途径是如何通过物理学传感系统调控肿瘤与组织损伤后炎症反应的。

常见的物理信号可以转导成为生物化学信号，后者可以调控一系列细胞反应，例如上皮间质转化后的恶性肿瘤发生、组织损伤后的炎症反应。此外，细胞对力学改变的适应是肿瘤发生和损伤后炎症反应的重要一步，例如细胞侵袭过程中的机制-偶联（mechano-coupling）和机制-调控（mechano-regulating）功能。

这可能会为研究肿瘤疾病和炎症疾病提供新视角，革新大家对肿瘤和炎症的传统看法。此外，该文还讨论了如何借助肿瘤和炎症力学揭露肿瘤细胞侵入结缔组织并在其中迁移、以及白细胞从脉管中渗出（extravasate）和侵入组织的秘密。

该文将对肿瘤发展和炎症发生的物理学概念进行阐述，其中包括肿瘤细胞如何穿越组织基底膜、如何侵袭和进行跨内皮性转移（transendothelialmigration），以及对外部压力和细胞外基质强度等微环境的反应。总之，这篇文章重点介绍了如何借助物理学方法改进传统的肿瘤和炎症疾病研究方法，以及如何将物理学观念融入经典的肿瘤生物学研究方法中。

1.前言

在过去25年里，肿瘤学方面的科学家已经对经典肿瘤生物学的多个领域进行了研究。因此，为了更详细更准确地描述肿瘤发生发展过程，在年肿瘤的六大“经典”特征公布于世，其中包括无限增殖的信号、生长抑制规避、侵袭和转移激活、无限增殖能力、诱导血管新生和抗细胞死亡。

一个具有癌变潜力的细胞具有哪些潜质才能梦想成真？肿瘤的六大“经典”特征完全可以回答这个问题，但它并不适用于所有类型的肿瘤。11年后，肿瘤的“经典”特征又引入了两个新成员，异常代谢通路和免疫系统规避。最新的两个特征从侧面强调了免疫系统在恶性肿瘤发展中的重要性。

研究发现，α6β4、αvβ3、αvβ5、α5β1、E-cadherin、Notch1-4受体、CXCR2和CXCR4等分子参与了肿瘤细胞的转移和侵袭过程，它们在肿瘤疾病的发生发展中起了重要作用。这些新的发现主要得益于基因组学和蛋白质组学等新型的分子或生物化学方法，但是这些新方法并没有从根本上改变肿瘤治疗的临床结果。

虽然这些基于生物技术的研究方法并没有达到预期目标，但是它们已经为研究肿瘤生物学、肿瘤诊断和预后提供了新视角新思路。特别是，关于肿瘤分类学、特定类型肿瘤的标记蛋白、特定肿瘤类型的基因绘图工作已经正式启动。不过，这些新方法同样存在弊端，主要在于基因和蛋白质的表达水平可能会随肿瘤的发展和分期发生变化。

因此，目前仍不确定这些分子是如何促进或调控肿瘤发展的。更具体地说，基于基因组学和蛋白组学的分析方法根本无法确定蛋白质在脂筏（lipidrafts）等结构上的空间位置、激活和组装状态、生存期、周转率（turnoverrate）、修饰率（modificationrate）和回收率（recyclingrate）。

由于当前的生物学和生物化学方法尚不能阐释肿瘤疾病的复杂性，特别是无法为研究肿瘤发展提供新思路，因此癌症研究领域已经引入了肿瘤研究相关物理学方法和新型生物物理方法。直到现在，这些基于物理学的肿瘤研究研究方法已经彻底改变了肿瘤学研究，革新了大家对肿瘤疾病传统的生物学和生物化学认识。

由于肿瘤疾病一般与炎症反应相关，所以视角改变的切入点应该放在炎症性疾病上。在这里，主要针对于肿瘤相关的炎症反应或组织损伤后的炎症反应。除了实体肿瘤外，还将白血病与上皮来源的肿瘤细胞纳入了对比分析。

由于目前仍未将肿瘤细胞的力学特性纳入“经典”特征，所以本文将着重探讨肿瘤细胞、细胞外基质等微环境、上皮细胞、肿瘤相关巨噬细胞和成纤维细胞的力学特性对肿瘤发展的影响。一切将会从物理学视角进行阐述，请先撇开那肿瘤经典的八大特征观点。

2.细胞跨膜转移和侵袭的生物学背景概述

肿瘤的良性和恶性判断有几个参数，这些参数受肿瘤微环境条件的影响和调控。因此，目前仍不能成功确定这几个参数，甚至没有初步的答案，因为太多的参数还没有发现或者参数的调控机制还没搞清。肿瘤的恶性发展包括肿瘤转移过程，这是肿瘤发病时的最严重情况，因为肿瘤转移是肿瘤患者死亡的主要原因。

图1.侵袭性肿瘤细胞亚群出现的第一步。侵袭性肿瘤细胞失去细胞-细胞间粘附，从原发性肿瘤迁移出来，跨越基底膜进入结缔组织微环境。

肿瘤转移是一个复杂的连续的过程，每一步都受到精确的调控。肿瘤转移过程一般始于原发性肿瘤，在那里肿瘤细胞获得一些特殊的“技能”，例如可以弱化细胞-细胞间的粘附作用、重塑细胞-细胞外基质间的粘附作用、获得高度转移表型、穿透原发性肿瘤的基底细胞层和基底膜、侵袭进入肿瘤微环境（如图1所示）。

微环境可以改变细胞形成突出物（protrusion）的能力，研究发现基底膜破坏有助于肿瘤细胞与胶原蛋白I直接结合，从而促进肿瘤细胞的侵袭和扩散。肿瘤转移过程始于原发性肿瘤的肿瘤细胞扩散，肿瘤细胞以特定方式迁移进入局部肿瘤微环境，这种特定方式可能与这些肿瘤细胞的基因学和分子学参数相关。

图2.肿瘤细胞转移中的血管外渗过程（transendothelialmigration）。侵袭性肿瘤细胞经基底膜、内皮血管或淋巴管内壁的细胞间隙外渗。随后，肿瘤细胞在血管管道中随血流到达可以形成第二个肿瘤的靶位点。这些靶位点可能是内皮血管或淋巴管的内壁，侵袭性肿瘤细胞也可能从内皮性血管或基底膜中渗出以便入侵结缔组织。

这些侵袭性的肿瘤细胞亚群跨膜进入血管或淋巴管（血管内渗，intravasation），随血流到达靶组织，粘附到血管内壁上，肿瘤细胞在血管内壁增殖生长并形成血管内肿瘤，肿瘤细胞也可能跨越内皮性血管进入结缔组织的细胞外基质（血管外渗，extravasation）。

肿瘤细胞到达靶组织区域后，迁移进入靶组织，生长形成为第二个肿瘤，这就是所谓的肿瘤转移（如图2所示）。此外，肿瘤细胞还可能在转移途中“掉队”，形成所谓休眠肿瘤细胞（dormantcancercells）。特别是，循环性肿瘤细胞可以通过与内皮血管内壁的糖蛋白作用，调控肿瘤细胞应对血流剪切力时的粘附作用。

肿瘤细胞是如何成功从原发性肿瘤“越狱”出来的，目前仍在研究之中。此外，原发性肿瘤中那些非转移性的肿瘤细胞到底具有什么功能？如果说某种特定类型肿瘤转移的靶组织是确定的，这完全是胡猜。因为这种说法的理论依据是原发性肿瘤中的恶性肿瘤细胞往往会选择一些生物兼容性较好的区域作为靶组织。

不过，这个假设至今仍无法通过实验手段验证。目前尚不清楚转移性肿瘤细胞是如何找到血管或淋巴管的。然而，有研究报道肿瘤细胞可能循着内皮性细胞释放物质（例如趋化因子、细胞因子、以及内皮细胞纤连蛋白等细胞外基质蛋白）的浓度梯度寻找内皮性细胞。

尽管目前已经发现了几种肿瘤血管相关的生物标记分子，但是这些标记分子并不是所有类型肿瘤细胞的共用分子。目前尚不清楚巨噬细胞和T淋巴细胞等免疫调控细胞在原发性肿瘤中具体起了什么作用。

2.1实体瘤源肿瘤细胞的物理学侵袭策略

肿瘤细胞的侵袭性与细胞的分子、生物化学和生物物理学特性密切相关，它们赋予肿瘤细胞穿越致密细胞外基质网络的能力。肿瘤细胞侵袭的先决条件似乎取决于侵袭转移实验的维度（2D二维或3D三维）。

然而，上皮起源的肿瘤细胞侵入结缔组织3D细胞外基质的能力并不是一个简单的参数就能决定的；相反，肿瘤细胞的侵袭能力主要取决于可以调控其在3D细胞外基质侵袭速度的特定生物化学和物理学参数的平衡。

图3.肿瘤细胞运动的三维（3D）示意图。肿瘤细胞侵入一个3D微环境至少需要4个细胞物理学特征的平衡，这种平衡有助于肿瘤细胞侵袭进入致密的细胞外基质网络。4个主要的物理学参数主要是有：（1）细胞粘附和解粘附动力学；（2）细胞骨架重塑动力学、细胞易变性和细胞刚度；（3）细胞外基底蛋白介导的基底膜重塑和基底膜消化酶介导的基底膜降解；（4）突出力（回缩力）的产生和传递。

所谓的平衡参数实际就是高度侵袭性肿瘤细胞的特点，例如：（1）细胞粘附动力学和解粘附动力学（黏着斑的周转率、粘附力）；（2）细胞骨架重塑动力学、细胞易变性和细胞刚度；（3）细胞外基质蛋白介导的基底膜重塑和细胞外基质消化酶介导的基底膜降解；（4）突出力（protrusive或回缩力contractile）的产生和传递（如图3所示）。很明显，拿出其中的一个参数进行单独分析并不现实；只有综合所有参数才能合理的解释其中某个参数对细胞侵袭和血管外渗的影响。

总之，这些侵袭-调控相关参数间的平衡直接决定了肿瘤细胞的侵袭效率、细胞侵袭速度和3D细胞外基质的侵入深度。随着肿瘤细胞类型的变化，这些侵袭决定性的参数可能会发生变化，但是所有参数还是决定肿瘤细胞侵袭和侵袭速率的重要因素。

对内皮起源的肿瘤细胞来说，这些物理学参数间平衡的破坏很可能“开启”上皮细胞的侵袭模式，随之发生间质性转移或是细胞变形转移。目前这种可逆转的转变已经得到验证，但是并不确定这种转变是否适用于所有类型肿瘤。总之，细胞的生物化学和生物物理学参数决定了肿瘤细胞的侵袭模式。

不过，目前尚不清楚肿瘤细胞是维持这些参数平衡的机制。生长因子、细胞因子、趋化因子，基质蛋白的成分、结构和浓度，以及基质的物理学刚性等微环境在此过程中到底发挥了什么作用，仍需要深入的研究。目前有两种不同的作用机制正处于研究之中。

第一种机制是通过分泌基质金属蛋白酶（MMPs）降解致密的3D细胞外基质，从而有助于肿瘤细胞发生转移。因此，侵袭性肿瘤细胞可以破坏和克服3D细胞外基质所带来的空间位阻。第二种机制是肿瘤细胞通过分泌ADAM-10和ADAM-17等脱落酶切断细胞-细胞间的NOTCH受体、ephrins和E-cadherins等粘附因子。

然而，细胞-细胞间粘附力的降低会触发信号转导，上调β-catenin等细胞-细胞粘附蛋白的核转录（涉及一种转录因子LEF1/TCF4）和细胞运动相关基因的表达，最终升高肿瘤细胞的侵袭能力。细胞-细胞间粘附相关蛋白质的酶促降解同样会改变细胞间的粘附作用，随之改变细胞刚性（stiffness）或细胞骨架重塑动力学等物理学特性。

此外，脱落酶ADAM-17可以水解肿瘤细胞表面的pro-TNF-α分子，TNF-α释放并进入肿瘤微环境。释放的TNF-α可能会激活毗邻的内皮细胞，从而促进肿瘤细胞的侵入。

除了细胞膜受体脱落外，其他的物理学参数同样可以参与调控肿瘤细胞向致密3D细胞外基质的侵袭速度和侵入深度，这是高度侵袭性肿瘤细胞形成和传递收缩力（contractileforces）的物理学特性。然而，目前仍不能对3D胶原蛋白或纤维蛋白基质中的收缩力进行生物物理学测量。

特别是，可以用记录性聚焦显微镜和3D细胞追踪程序分析肿瘤细胞的侵袭能力。因此，可以将基质嵌入性玻璃珠（matrixembeddedbeads）作为肿瘤细胞位移的标记。然而，其他借助胶原纤维结构的方法会受到侵袭性肿瘤细胞的施力的影响。总之，追踪胶原纤维的方法更为可靠，也更为复杂。

此外，相比玻璃珠，将胶原纤维作为标记更加适合分析，因为吞噬或消化作用近乎消失，此时相比数量巨大的镶嵌性玻璃珠标记，仅有少量的胶原纤维发生降解。此外，玻璃珠内化（internalization）也会影响肿瘤细胞刚性等物理学特性，随之降低高度侵袭性肿瘤细胞侵袭3D细胞外基质的能力。

2.2白血病或成纤维细胞源肿瘤细胞的物理学侵袭策略

尽管关于细胞迁移的开放性问题很多，但是仍可以通过设计一种可靠的概念性支架来研究片状伪足（lamellipodium）是如何支持细胞运动的。特别是，前缘细胞膜下肌动蛋白细丝聚合可以产生突出物形成所需要的推力（pushingforce，突出力protrusionforce）。

细胞膜的表面张力可以抵消肌动蛋白网的顺行扩张力（anterogradeexpansion，向外），因此肌动蛋白细丝被推回到细胞质中，这是一种逆行（retrograde，向内）的肌动蛋白流（如图4所示）。

图4.物理学侵袭策略。发生迁移的细胞在迁移方向上有一种片状伪足（lamellipodium，2D）或侵袭小体（invadopodium，3D）结构和一个片状（lamella）结构。片状（lamella）结构在片状伪足的底部，两者之间隔着片状伪足基底（lamellipodiumbase）。片状伪足前缘的肌动蛋白应力纤维聚集，产生一种向细胞膜外部的突出力（向外），这种力推动着细胞向前移动。由于顺行扩张（anterogradeexpansion）的存在，肌动蛋白微丝以“逆行流（retrogradeflow）”的形式被推回到细胞质中（向内）。

说得更具体一些，细胞-细胞外基质间的粘附受体（例如整合素）可以通过黏着斑（focaladhesions）将细胞骨架固定到细胞外基质上，以保证将逆行力转化为迁移方向的细胞外延运动能力，逆行力主要由肌动蛋白收缩产生。

综上所述，一个基本的力学概念产生了，片状伪足是由肌动蛋白聚合形成，它有助于细胞膜的突出物（protrusion）形成。此外，除了片状伪足所提供的外延力外，突出物如果要形成丝状伪足（filopodia）还需要细胞自身的能动性和侵袭小体（invadosomes）。

除了肌动蛋白的外突力外，细胞膜起泡（membraneblebbing）也是一种细胞迁移方式。这些泡状物是前缘细胞的延伸而不是肌动蛋白细丝的聚集物。此外，细胞内肌动球蛋白收缩所产生的静水压力（hydrostaticpressure）可以破坏肌动蛋白骨架和细胞膜之间由肌动蛋白皮质和/或粘着斑蛋白所介导的连接。

细胞膜一旦失去对细胞外基质的锚定力，细胞内的压力就会促使细胞膜形成泡状物，它会生长直到一个新的肌动蛋白皮层重组完成，然后不断地重复这个泡状物形成过程。总之，细胞膜起泡是细胞运动的一种生理运动策略，在此期间细胞可以通过直接和持久运动的方式进行迁移。

此外，细胞膜起泡可以改变细胞膜的张力（tension），以及整个细胞的力学特性。在组织和细胞培养物中，由于细胞外环境受到遗传性改变或药理学药物的影响，不同的细胞可以在细胞膜起泡-驱动性运动和肌动蛋白聚合-驱动性运动中不断切换。

如果要分析细胞膜起泡模式迁移和片状伪足模式迁移的差别，至少需要考虑三个特殊因素，例如细胞-细胞外基质间的粘附作用、细胞外基质的几何结构、细胞前缘和后缘间的信号传导。细胞膜起泡迁移模式和片状伪足迁移模式都与细胞-细胞或细胞-细胞外基质间粘附作用的稳定性相关。

虽然快速-迁移的变性细胞（例如免疫细胞等）可以通过细胞膜起泡方式和片状伪足方式迁移，但是对它们来说，粘附作用的稳定性和生理学意义似乎没有那么重要。在片状伪足模式中，间充质的运动十分缓慢，这完全依赖于局部细胞-细胞外基质的粘连作用。

细胞外微环境的维度可以显著影响细胞的运动能力，有证据表明：细胞在2D和3D微环境中可以经多种方式进行迁移。然而，在细胞粘附力很小和粘附强度降低的情况下，细胞可以在3D微环境中迁移却不能在2D微环境中迁移。

目前尚不清楚细胞极性是如何调控细胞在2D和3D微环境中的运动能力，以及细胞极性是否与外突物的类型相关。近期研究发现，Rac-1、Cdc42、RhoA等多种RhoGTPases（Rho家族鸟苷三磷酸酶）是细胞迁移的主要调控蛋白。

Rac-1是片状伪足延伸所必需的，它可以激活WAVE复合物，随后通过Arp2/3复合物加速肌动蛋白的聚结。此外，Cdc42可以激活Arp2/3复合物和成蛋白（formins），从而促进丝状伪足和侵袭小体组装过程中肌动蛋白的聚集。RhoA可以通过调控肌球蛋白II（myosinII）和成蛋白（formins）直接改变肌动球蛋白收缩性。

总之，RhoGTPases在突出物-驱动型迁移中起了重要作用，不过这种作用受细胞类型、特定微环境的影响。最后，肌动蛋白聚集、肌动球蛋白收缩性和细胞-细胞外基质间粘附作用之间的偶联作用可以影响RhoGTPases的作用，从而辅助细胞感知周围的生物化学和力学微环境。

此外，RhoGTPases还有助于迁移模式中的细胞适应周围环境的几何结构、化学组成和力学特性。

近期，有研究报道肿瘤细胞以形成圆柱-样叶状伪足（lobopodia）的形式进行迁移，而且其突出物的末端还分布着大量的小泡，这似乎是一种介于细胞膜起泡模式和片状伪足模式间的第三种侵袭模式。细胞在2D迁移系统中会形成片状伪足，一旦接种到3D胶原凝胶中（非交联型牛胶原），这些细胞就会形成侵袭小体（invadopodia）。

然而，胶原一旦交联，细胞就会以叶状伪足的形式进行迁移，因为细胞可以感知周围环境的力学特性（例如基质胶的弹性）。3D基质胶的刚性较差，这有利于细胞形成叶状伪足，反之肌动球蛋白收缩可能会激活细胞的变性迁移模式（deformingmigrationmode），细胞通过收缩穿过基质胶的小孔（如图5所示）。

图5.细胞在2D和3D微环境中的3种不同迁移模式。在2D迁移系统中，肿瘤细胞和免疫细胞经细胞膜起泡模式和片状伪足模式进行迁移。在3D迁移系统中，肿瘤细胞和免疫细胞经以片状伪足迁移模式（lamellipodialmigrationmode）、细胞膜球泡迁移模式（blebbingmigrationmode）和柱形叶状伪足迁移模式（cylindrical-shapedlobopodialmigrationmode）进行迁移。迁移细胞的畸形极性分化和移动速度取决于细胞采取何种迁移模式。

然而，这个结果表明影响叶状伪足迁移模式的关键因素可能不是微环境的刚性，而是应力-应变曲线（stress–straincurve）的形状。因为细胞在线性弹性（linearelasticity）微环境（例如皮肤和细胞-提取物基质胶）中只能形成叶状伪足，相反，细胞在非交联型3D胶原基质胶中主要形成片状伪足。

细胞的功能性极性如何调控细胞迁移方向，这是一个亟待解决的问题。细胞是如何感知线性弹性的，如何将线性弹性与应变刚性区分？细胞外的蛋白水解作用是否与叶状伪足模式迁移相关？在叶状伪足模式迁移过程中，细胞是否会通过分泌细胞外基质蛋白重塑它们的细胞外微环境？成纤维细胞是否也采用叶状伪足模式进行迁移？

与上皮起源的肿瘤细胞相比，白细胞显得特别异类。因为白细胞散布在人体的全身，它们具有入侵任何组织的能力。白细胞的这个行为是炎症反应所必需的。这些浸润性白细胞（infiltratingleukocytes）在跨越组织分界时并没有特定的迁移方式。

相反，与间充质和上皮细胞的迁移速度相比，白细胞在进行单细胞迁移时的速度是它们的倍。白细胞为何能以如此快的速度在组织中移动？白细胞如何以变形虫模式迁移，并进行频繁的形状改变？与间充质细胞的迁移模式相比，变形虫模式迁移是否具有更快的速度？

的确，有研究报道粘附依赖性迁移（adhesion-independentmigration）的驱动力主要来自于细胞前缘肌动蛋白网络的外突，并受细胞后缘肌动球蛋白收缩所带来挤压力的影响，以便推动刚性的细胞核穿过基质胶的小孔。

3.肿瘤疾病发展的一般规律

肿瘤疾病发生发展过程中的第一大特点是，原发性肿瘤生长到一定体积后，如果要继续生长就需要血液供给。由于肿瘤组织中的血管数量很少、结构不成熟，肿瘤组织通常是缺氧缺血状态。这种缺氧微环境会影响肿瘤细胞的基因表达，随之改变肿瘤细胞的力学特性。

此外，这种缺血缺氧微环境有利于肿瘤的发生发展，因为这种环境会“淘汰”掉一部分细胞，“幸存”下来的肿瘤细胞具有更高的恶性程度和侵袭性，它们可以转移到其他部位的靶组织。近期研究报道，这种缺血缺氧微环境会促进肿瘤的发展以及对抗肿瘤治疗的耐药性。

传统的抗血管治疗策略旨在减少肿瘤的血液供给，但是这种治疗策略并没有达到预期效果，因为疗效十分有限、而且很容易出现耐药性。相反，临床证据表明：肿瘤血管的正常化会提升抗肿瘤治疗策略的疗效。肿瘤细胞进入血液系统是肿瘤转移过程的关键一步，因为肿瘤细胞一旦进入血管就可以很轻松地随着血流到达靶组织。

更重要的一点是，肿瘤血管是异质性的，有些可以模拟内皮性细胞功能的肿瘤细胞“潜伏”在血管内壁，它们很可能会“叛变”。问题的关键在于，肿瘤是不是只有在生长到足够大体积后才会“释放”高度侵袭性的肿瘤细胞，这些肿瘤细胞随后可以在其他位置形成转移瘤。

肿瘤发生发展过程中的第二大特点是，高度侵袭性肿瘤细胞如何“摆脱”原发性肿瘤进入肿瘤微环境。这些高度侵袭性肿瘤细胞的力学特性发生了改变，这种改变有助于它们侵袭进入肿瘤微环境。Notch-1激活与人类恶性肿瘤（例如胰腺癌，它的致死率极高、患者预后不良）的发生发展密切相关。

据报道，Notch信号通路在细胞增殖和细胞凋亡中发挥了重要作用。这种蛋白由Notch基因（Notch-1,-2,-3和-4）编码，这些基因与其配体（Dll-1（Delta-like1）,Dll-3（Delta-like3）,Dll-4（Delta-like4）,Jagged-1和Jagged-2）结合后激活。

Notch受体的细胞外结构域和细胞内结构域存在一定的差异，但是这些结构域的结构相同。Notch受体可以细胞内的肌动球蛋白细胞骨架连接，后者决定了细胞的力学特性。毗邻细胞间的受体-配体结合可以激活Notch信号通路。

一旦受体-配体结合激活Notch信号通路，Notch受体在一系列蛋白质水解（proteolyticcleavage）作用下释放其细胞内结构域。具体一点，释放的Notch细胞内结构域会移位进入细胞核，与Notch的靶基因（例如split-1（Hes-1）,NF-κB,cyclinD1和c-Myc的增强子基因）结合，促进其转录表达。

这些结果表明，细胞-细胞间的粘附信号可以影响基因的表达，随后改变肿瘤细胞的力学特性（例如，细胞刚性、细胞骨架重组动力学、细胞运动能力）。此外，上皮-间质转化（epithelial–mesenchymaltransition，EMT）表型的获得和肿瘤干细胞（CSC）或肿瘤干细胞-样表型的诱导均与肿瘤复发和药物耐受性相关。

上皮-间质转化会显著改变肿瘤细胞的力学特性，因为上皮-间质转化后肿瘤细胞的肌动球蛋白细胞骨架和细胞骨架的刚性、细胞-细胞间的粘附连接均显著降低，这有助细胞的转移和侵袭。此外，上皮-间质转化后肿瘤细胞的基质金属蛋白酶（MMPs）表达水平显著上调。

研究发现，这些基质金属蛋白酶可以提升肿瘤细胞在3D胶原蛋白支架中的侵袭转移能力。然而，目前尚不清楚Notch-1受体信号通路是如何促进肿瘤细胞获得上皮-间质转化表型和肿瘤干细胞自我更新能力的。多项研究发现，Notch基因在宫颈癌、肺癌、结肠癌、头颈、肾癌、急性髓系淋巴瘤和胰腺癌等肿瘤组织中均异常激活。

更具体一些，Notch-1受体和其配体Jagged-1的高水平表达与乳腺癌和前列腺癌患者的不良预后密切相关。同样，Notch-1受体过表达可以通过激活间质细胞标记物（ZEB1,CD44,EpCAM和Hes1）诱发上皮-间质转化。尤其是，CD44是一种可以与透明质酸（hyaluronicacid）结合的跨膜糖蛋白，它可以上调肿瘤细胞入侵结缔组织的能力。

此外，Notch-1受体过表达可以下调miR-b的表达水平。然而，miR-b再表达可以下调ZEB1和波形蛋白（vimentin）的表达水平，从而促使肿瘤细胞发生间质-上皮转化。由于波形蛋白是一种中间丝状体，所以细胞的力学特性同样会发生改变，这些细胞的运动能力下降。

这些研究结果表明，Notch-1信号通路激活可能会导致肿瘤细胞获得上皮-间质转化表型，这在一定程度上依赖于miR-b的表达上调和肿瘤干细胞的自我更新能力，金雀异黄酮（genistein，酪氨酸激酶抑制剂）可以阻断这个生物过程。

这个实验表明，酪氨酸激酶（例如Rac-1）参与了细胞侵袭过程，因为CD44可以促进肿瘤细胞向3D细胞外基质中的侵袭。然而，Notch所介导的细胞-细胞间粘附作用降低是否是高度侵袭性肿瘤细胞“脱颖而出”的先决条件？Notch受体表达改变肿瘤细胞的力学特性是否是为了增强肿瘤细胞的侵略性（aggressiveness）和侵袭性（invasiveness）？

肿瘤发生发展过程中的第三大特点类似于达尔文进化论（Darwinianevolution），那些具有高度侵袭性的肿瘤细胞成为“优胜者”，发生转移并在原发性肿瘤的远处生存下来。

在达尔文进化模型中，肿瘤细胞的选择过程表现出稳定地基因变化。这些“获选”的肿瘤细胞数量极少，因为先前的选择压力特别大、且选择过程一般出现在肿瘤发展的末期。因此，达尔文进化模型是饱受质疑的，其他模型对肿瘤转移和发展的影响可能更大。

近期出现的新技术已经对这个传统的转移模型提出了挑战，例如高密度芯片表达分析（high-densitymicroarray-basedexpressionprofiling）、活体成像（intravitalimaging）和肿瘤侵袭性细胞的分选（collectionofinvasivecancercells）。

尤其是，这些新技术已经为诊断和治疗转移性疾病提供了新的标志物。几项研究以小鼠乳腺癌模型为对象进行了基因表达谱分析，结果显示肿瘤细胞获得转移能力主要发生在肿瘤发展的早期，而不是达尔文进化模型中所预测的肿瘤发展晚期。

因此，侵袭性肿瘤细胞的转移能力是原发性肿瘤大部分细胞编码的结果，其中涉及某些基因的瞬时表达。然而，也可以将这两个模型结合，因为在基因改变后，微环境也可能影响肿瘤细胞的侵袭和转移表型，而这个过程一般发生在肿瘤疾病的早期。

两者合并后的“新模型”称之为肿瘤微环境侵袭模型（tumormicroenvironmentinvasionmodel），即肿瘤微环境启动了特定基因的表达,这些基因可以诱导细胞运动、侵袭和转移。尤其是，肿瘤微环境侵袭模型提出，原发性肿瘤中肿瘤细胞的基因突变会改变微环境，随之上调肿瘤细胞和基质细胞的运动能力。

肿瘤微环境的改变尤其可以提升肿瘤组织中的微血管密度、炎症反应和缺氧状况。这些微环境变动会导致肿瘤细胞和基质细胞中基因表达的瞬态和表观遗传改变，类似于胚胎器官发育中微环境改变驱动形态形成（morphogenetic）细胞的运动。

此外,肿瘤微环境侵袭模型指出，微环境所引发的肿瘤细胞侵袭和转移在时间和空间上似乎是随机的，这会导致在肿瘤发展过程中不断地出现侵袭性和转移性肿瘤细胞。乳腺癌模型的活体成像技术显示，一小部分肿瘤细胞可以发生转移，不过这些肿瘤细胞在原发性肿瘤中的分布十分随机，这与肿瘤微环境侵袭模型的理论相符。

重要的是，转移瘤一般是异质性的，表明肿瘤转移并不是一种稳定的基因表型，这在一定程度上支持了肿瘤微环境侵袭模型。此外，侵袭性肿瘤细胞的基因表达谱显示，这些从原发性乳腺癌中分选的肿瘤细胞具有一种侵袭特点（基因表达模式），这种特点可以调控肿瘤细胞在体内的迁移和趋化（chemotactic）活性。

研究发现，从乳腺癌患者肿瘤组织分选得到的侵袭性肿瘤细胞可以高水平表达Mena分子。Mena分子高水平表达与乳腺癌患者的不良预后密切相关，与上述结果相符。Mena分子是一种肌动蛋白调控蛋白，它可以通过控制肌动蛋白的聚合作用影响细胞的侵袭模式。

此外，Mena分子还是肿瘤转移的预测性指标。更具体一些，在侵袭性肿瘤细胞中，Mena亚型分子对表皮生长因子（epithelialgrowthfactor，EGF）高度敏感，可以上调细胞的突出物（protrusion）形成能力和运动能力，其他Mena亚型分子的表达水平会显著下调。

此外，近期研究发现microRNAs也可以通过改变间质（stromal）细胞的基因表达情况调控肿瘤微环境的力学特性。上皮-间质转化（ECM）异常可能会改变间质细胞的行为，以及促进肿瘤-相关的血管新生和炎症反应，最终将正常微环境转化为致瘤（tumorigenic）微环境。

肿瘤发生发展中的第四大特征是肿瘤细胞的多个参数往往会相互作用并形成反馈回路（feedbackloop）以便调控肿瘤细胞在3D迁移系统中的运动情况，例如酶、收缩结构相关分子、细胞外基质结构和成分等参数。

除了细胞-细胞粘附分子外，伪足（pseudopodia）的生长与基质金属蛋白酶（例如MT1-MMP,MMP2,MMP3和MMP9）的酶消化相互作用，伪足在1D胶原纤维系统的生长情况与2D、3D系统中不同，因为细胞膜外突物和基质金属蛋白酶在3D系统中起了重要作用。

为了寻找更好的抗肿瘤治疗药物，3D培养模型成为揭示肿瘤发生发展中的信号转导通路不可或缺的平台。细胞对胶原纤维的牵拉（tractions）可能会激活基质金属蛋白酶，细胞外突物的推力、基质金属蛋白酶活性和细胞迁移之间的相互作用很可能通过一种反馈回路进行调控。

然而，肿瘤细胞在不降解细胞外组织的情况也可以进行转移，也可以产生和传递对胶原纤维的牵拉力，信号调控后细胞是如何运动的？脱落酶（sheddases）可以切断细胞-细胞外基质间的连接，这个反馈回路是否可以影响脱落酶的活性？

3.1跨越基底膜障碍

尽管目前尚未搞清肿瘤细胞跨越基底膜（basementmembrane）障碍的机制，不过这个过程是力学-主导下肿瘤基础研究的重点。侵袭性肿瘤细胞是如何从原发性肿瘤中迁移出来，又是如何穿越肿瘤基底膜的？尤其是，甚至不能确定这些肿瘤细胞来源于原发性肿瘤的内部还是外部。

只能确定都是，原发性肿瘤最外缘的细胞可能有很小的表面张力。此外，研究发现原发性肿瘤中有少量高度侵袭性的肿瘤细胞可以弱化细胞-细胞间的粘附作用，从基底肿瘤细胞层中穿过，这些基底肿瘤细胞不具有侵袭转移能力，最终穿越肿瘤的基底膜。

目前尚不清楚这些肿瘤细胞是如何获得下调细胞-细胞间粘附作用和上调细胞-细胞外基质间粘附作用这种特殊能力的。Foty和Steinberg在其综述中提出了一种“分化粘附假说（differentialadhesionhypothesis）”，组织发育过程中的组织扩散和细胞分离现象可能源于组织的表面张力，这种表面张力是细胞-细胞间粘附作用的差异性所造成的。

不过，这种表面张力（surfacetension）或其他力学特性变化是否是侵袭性肿瘤细胞获得“逃离”原发性肿瘤能力的主要因素，这有待于进一步研究。特别是，肿瘤细胞如果要通过跨内皮型转移途径进入血管，就必须先从原发性肿瘤中迁移出来。

首先，肿瘤细胞穿过基底膜。基底膜是一层薄的、连续的和致密的片状（sheet）结构，将上皮组织与毗邻的结缔组织分离开来。基底膜的主要成分是IV型胶原、蛋白聚糖（proteoglycans）和层粘连蛋白（laminin）。然后，肿瘤细胞迁移通过间质，间质的主要成分是纤维胶原蛋白（fibrillarcollagens）、蛋白聚糖和各种糖蛋白（glycoproteins）。

肿瘤细胞穿越基底膜是肿瘤转移过程中的关键步骤，因为它发生在肿瘤细胞跨膜进入淋巴管或血管之前（血管内渗，intravasation），同样也是肿瘤细胞进入靶器官的方式（细胞外渗，extravasation）。循环性肿瘤细胞（circulatingcancercells）的出现与疾病的恶性程度、转移性升高和复发时间缩短密切相关。

目前有个开放性问题，肿瘤细胞经过上皮-间质转化是否会产生更多的间质化肿瘤细胞或干细胞-样肿瘤细胞。目前已经在3D细胞外基质迁移系统中发现了多种含有“粘合体（adhesome）”蛋白的粘附结构，常见的粘合体蛋白包括黏着斑蛋白（vinculin）、桩蛋白（paxillin）和斑联蛋白（zyxin）。

有研究报道，粘合体蛋白并不会形成聚合体（aggregates），通常分散在细胞质中。然而，这些研究用的是不同类型的细胞外基质（细胞提取物或胶原蛋白I），在实验中有时将细胞混合在3D细胞外基质中，有时将细胞接种在细胞外基质的表面。这些不同实验结果产生的原因可能有以下几个。

第一，距离玻璃器皿越远、3D细胞外基质的弹性（elasticity）越大，这可能会影响细胞粘附结构的组装。第二，3D细胞外基质的组成可能影响细胞粘附结构的组装，因为在进行细胞粘附结构组装时3D胶原纤维显得太细。同样，大量的胶原纤维构件可能会缩小粘附结构组装的宽度。

此外，使用non-pepsinized或pepsinized胶原蛋白可能会影响3D培养系统中黏着斑的形成。第三，过量表达的荧光标记化（fluorescentlylabeled）-粘合体蛋白可能会影响聚集体（aggregates）的可视化（visualization）效果，这时荧光效果可能与荧光标记化-粘合体蛋白低表达时的荧光效果相同。

然而，目前并不清楚粘合体蛋白的力学特性以及粘合体蛋白在肿瘤细胞穿透基底膜过程中的发挥了何种作用。特别是，粘合体蛋白力学特性对3D微环境中黏着斑形成的影响

3.2细胞以整合素依赖性模式和起泡模式侵袭结缔组织

细胞迁移是一个多步的过程。纤维状肌动蛋白（F-actin）在侵袭性细胞的前缘聚集，向外推动细胞膜形成突出物（protrusion），突出物会借助整合素（integrin）家族的跨膜受体锚定在细胞外基质，并借助黏着斑（focaladhesion）蛋白与肌动球蛋白细胞骨架发生偶联。

肌球蛋白（myosin）II通过压缩肌动蛋白网络产生收缩力，然后整合素将内部的收缩力传递下去。收缩将逆行牵拉力（retrogradepullingforces）施加到整合素上，从而促进整个细胞向前运动。特别是，细胞的整合素组成决定了这种细胞在迁移时粘附-驱动模型可以使用哪种类型的基底（substrate）。

基底-特异性粘附和细胞迁移之间的联系限制了侵袭性细胞预设粘附模型的使用。这个过程似乎是细胞精确移位（trafficking）和准确定位必不可少的，不管是组织生长还是再生，或者是肿瘤疾病和炎症反应。

另一种细胞迁移模式是细胞膜起泡模式。侵袭性细胞的前缘在肌球蛋白（actomyosin）-驱动型收缩力的作用下，可以突出形成一个不含肌动蛋白的细胞膜泡状物，或是一个富含肌动蛋白的伪足（pseudopodium）。在侵袭性细胞的前缘，聚集的肌动蛋白会将细胞膜向外推。

如果扩张的肌动蛋白网络受到一种逆行的反力，微丝的向外推动就会造成细胞膜的外突，这种逆行的反力一般由整合素（integrins）提供。更具体一点，趋化性树突细胞（chemotacticdendriticcells）可以通过切换整合素-依赖性和整合素-非依赖性迁移模式适应基底（substrates）的粘附特性。

当整合素-肌动蛋白离合器（clutch）一旦开启，肌动蛋白聚集就会转化成突出物（protrusions）。然而，整合素-肌动蛋白离合器一旦关闭，肌动蛋白就会滑落，从而产生逆行的肌动蛋白流。此外，为了维持细胞形状和保证突出物形成的速度，可以通过肌动蛋白聚集平衡逆行的肌动蛋白流。

最后，这种现象表明：在聚合动力学（polymerizationdynamics）的适应性反应中，侵袭性细胞并不一定循着粘附性基底（adhesivesubstrates）的特定方向进行转移。然而，可溶性趋化因子的浓度梯度才是细胞转移方向的导向标，它可以指导侵袭性细胞转移到任何类型的组织中。

3.3跨内皮型转移

细胞可以迁移通过狭小的空间，这是多种疾病发生的关键步骤。例如，在炎症反应和免疫反应中，白细胞可以穿透血管或淋巴管的内皮细胞内壁进入发生炎症的组织。在此过程中，最大的难题是间期（interphase）细胞的细胞核很大且很难发生变形，这在一定程度上限制了细胞通过变形穿越狭小空间的能力。

图6.细胞的跨内皮转移（thetransendothelialmigration）过程中的空间限制。细胞核的力学特性（例如变性，deformation）在跨内皮转移中起了重要作用。细胞的其他力学特性同样发挥了重要作用，例如细胞的刚性和易变性（cellularstiffnessorfluidity），微丝（microfilaments，MF）、中间丝（ntermediatefilaments，IF）和微管（microtubuli，MT）的细胞骨架重塑动力学（cytoskeletalremodelingdynamics）。另一个重要的力学特性是细胞可以产生和传递收缩力（contractileforces）。在跨内皮转移过程中，细胞会形成丝状伪足（filopodia），伪足可以感知微环境的力学特性，并帮助细胞在内皮细胞内壁上寻找合适的跨内皮转移位点。

这个过程似乎涉及了细胞的力学特性，例如细胞核的刚性、细胞的刚性、细胞骨架重组动力学（cytoskeletalremodelingdynamics）、收缩力（contractileforces）的产生和传递（如图6所示）。跨内皮转移细胞的力学特性改变包括微丝、中间丝和微管的重建。

不过，这三种细胞骨架成分对肿瘤细胞和“屏障”内皮细胞力学特性的影响到底有多大？目前，中间丝（intermediatefilaments）已经成为生物物理学研究的重点，研究发现中间丝可以与肌动球蛋白（actomyosin）细胞骨架相互作用，从而调控细胞的运动能力。

来源：丁香园

作者：rio

转载请注明：http://www.nwsaj.com/jclby/5414.html