研究显示了组织的微观几何结构如何影响癌症的扩散

俄勒冈州立大学(Oregon State University)的研究揭示了人类最致命的生理过程之一背后的一个关键机制:恶性细胞从身体的一个部位转移到另一个部位。

发表在《美国国家科学院院刊，俄亥俄州立大学生物物理学家孙博(Bo Sun)领导的这项研究揭示了组织的微观几何结构在其中所起的作用癌症转移95%的癌症死亡都是由这种疾病引起的。

孙博士说，要开发有效对抗转移的药物，了解是什么在指导转移过程至关重要。

孙教授说:“我们的研究结果表明，组织纤维的排列水平，特别是胶原纤维的排列水平是影响身体健康的关键因素。”

胶原蛋白是一种用作人结缔组织的主要成分的蛋白质，其支持，保护和提供体内其他组织和器官的结构。胶原蛋白也是细胞外基质的关键部分，非细胞部分组织和器官用作支架，也表现了重要的生化和生物力学功能。

“临床研究表明，组织的微观几何形状与乳腺癌的发展有着显著的相关性，”孙海涛说。“我们的研究揭示了潜在的生物物理机制。在精准医疗的时代，我们认为考虑患者组织的物理特性对于预测和治疗转移性疾病是至关重要的。”

这种相关性是由于一种被称为“接触引导”的细胞现象，这类似于一个偏远地区的徒步旅行者试图根据地形的轮廓和地面上倒下的树木的网络来选择路线。

“在三维细胞外基质中，纤维不一定是平行的，细胞必须整合多种引导线索，这些线索并不总是清晰的，有时还会相互冲突，”孙教授说。“了解细胞对不完美引导信号的反应机制和局限性，对于预测和工程细胞行为是至关重要的。为患者提供准确的诊断、预后和治疗。”

在这项研究中，Sun和他在俄勒冈州立大学、加州大学圣地亚哥分校和东北大学的合作者发现，乳腺癌细胞可以在两种截然不同的状态之间转换:间质细胞的形状是拉长的，变形虫的形状是更圆的。

“在间充质状态下，细胞遵循组织纤维的方向，当纤维排列水平最高时，这种效应最强，”孙教授说。“在变形虫状态下，同一细胞的运动相当随机。另一方面，这两种状态之间的转换速率也由组织纤维对齐水平决定——强对齐导致细胞更倾向于保持间充质状态。”

与孙杨合作的有俄亥俄州立大学物理系的研究生研究助理Kim Jihan和博士生Christopher Eddy，加州大学圣地亚哥分校的曹元生和Wouter-Jan Rappel，以及东北大学的Deng Youyuan和Herbert Levine。

美国国防部、国家科学基金会和国家综合医学科学研究所支持了这项研究，该研究建立在Sun早期的研究基础上，该研究显示人类细胞，包括癌细胞，可以机械地、永久地改变它们周围的环境，从而影响从转移到伤口愈合到胚胎发育的一系列生理过程。

在这项研究中，孙发现了一对乳腺癌细胞可以将重构胶原基质的局部纤维密度增加超过150％。

“机械重塑是一个早期事件，它触发了一连串的放大事件，从而导致化学重塑，”孙说。“对于乳腺癌，可以感觉到肿块，因为癌细胞已经凝固了它周围的一大片区域。我们的组织是想放松一下吗癌症细胞产生的压力和这样做通过不可恢复的老化。“

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