从物理学角度解构肿瘤和炎症的发展过程上

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。

（来源：丁香园-02-14）

转载请注明：http://www.kqkpw.com/jbbx/6309.html