PNAS：癌症发生扩散的“最佳突破点”

　　

生物通报道：癌细胞为了转移，必须先从肿瘤和围绕其周围的细胞外基质（ECM）中脱离出来，要做到这一点，癌细胞需要将其细胞拉长成鱼雷形状。来自宾夕法尼亚大学，Wistar研究所的研究人员在最新研究中发现在这些细胞和ECM之间施加的物理力可以驱动这种形状变化，这表明靶向ECM韧性的药物可以用于预防癌症转移。

这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

肿瘤周围的细胞和组织被统称为肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME），这种环境与癌症的发生、生长和扩张有密切的关系。细胞外基质(extracellular matrix，ECM)也是其中的一部分，此前的研究表明癌细胞从原发性肿瘤中发生转移时，需要形成暂时的侵袭性伪足来突破肿瘤周围的ECM的结缔组织，就像是突破一张坚韧的网一样。

在最新这篇文章中，宾夕法尼亚大学的Vivek Shenoy教授领导的研究组详细描述了癌细胞和周围ECM的反馈机制，解释了如何癌细胞如何突破ECM中的胶原纤维，“我们发现的就是导致癌细胞表型发生变化的机械因素，这是第一次定量分析癌细胞从肿瘤侵入时的形状，“Shenoy说。

研究人员提出假设，认为这种相互作用的关键因素是在ECM的韧性网中找到一个“最佳突破点”。

“肿瘤中的细胞具有粘性，如果没有ECM上的胶原纤维拉动这些细胞，就无法打断它们之间的粘附。但是如果ECM粘性太强，牵扯力太大，基质中的孔洞就会变得太窄，癌细胞无法突破出来，”Shenoy说。

研究人员利用计算机模拟这些相互作用，再在实验室进行匹配实验，看看结果是否有效。“我们利用嵌入胶原基质中的黑色素肿瘤作为3D模型，体外模拟癌细胞离开原发肿瘤 ，侵袭其它组织时在体内发生的事件。我们的观察结果与计算机模型完全匹配，也补充了部分内容。这项研究从机械生物学的角度再次证明了肿瘤微环境对协调癌细胞的命运，决定预后，以及治疗疗效具有关键的影响，”文章的另外一位作者Ashani Weeraratna说。

癌症机械生物学也将为癌症的诊断和潜在治疗提供新的信息。未来也许通过观察肿瘤外的变化，就能了解癌细胞是否会扩散。

2015年范德堡大学的研究人员在美国细胞生物学学会（ASCB）年会上提出，细胞外基质 (ECM)能帮助肿瘤细胞转移，“为癌细胞迁移搭建了一条穿过细胞外基质的高速公路”。

利用共焦成像技术，这组研究人员观察到了CAFs将纤维连接蛋白重新排列成为平行束，而不是一般在ECM中看到的典型密集网格形状。他们将癌细胞平铺在源自CAFs的细胞外基质上，同时也将癌细胞平铺在正常成纤维细胞来源的细胞外基质上作为对照，结果发现癌细胞能更容易的通过了CAFs铺成的轨道。而且研究人员也发现CAFs与正常成纤维细胞在GTPase Ras活性上的区别，而后者参与了细胞移动，也参与了细胞如何从马达蛋白肌球蛋白II中获得能量的过程。Cool！看到癌细胞在动

（生物通：万纹）

原文摘要：

Modeling the two-way feedback between contractility and matrix realignment reveals a nonlinear mode of cancer cell invasion

Cancer cell invasion from primary tumors is mediated by a complex interplay between cellular adhesions, actomyosin-driven contractility, and the physical characteristics of the extracellular matrix (ECM). Here, we incorporate a mechanochemical free-energy–based approach to elucidate how the two-way feedback loop between cell contractility (induced by the activity of chemomechanical interactions such as Ca2+ and Rho signaling pathways) and matrix fiber realignment and strain stiffening enables the cells to polarize and develop contractile forces to break free from the tumor spheroids and invade into the ECM. Interestingly, through this computational model, we are able to identify a critical stiffness that is required by the matrix to break intercellular adhesions and initiate cell invasion. Also, by considering the kinetics of the cell movement, our model predicts a biphasic invasiveness with respect to the stiffness of the matrix. These predictions are validated by analyzing the invasion of melanoma cells in collagen matrices of varying concentration. Our model also predicts a positive correlation between the elongated morphology of the invading cells and the alignment of fibers in the matrix, suggesting that cell polarization is directly proportional to the stiffness and alignment of the matrix. In contrast, cells in nonfibrous matrices are found to be rounded and not polarized, underscoring the key role played by the nonlinear mechanics of fibrous matrices. Importantly, our model shows that mechanical principles mediated by the contractility of the cells and the nonlinearity of the ECM behavior play a crucial role in determining the phenotype of the cell invasion.