综述：生物力学线索在肺癌进展中作用的研究进展

本综述系统阐述了生物力学线索在肺癌进展中的关键作用，聚焦肿瘤微环境（TME）的机械信号如何通过影响细胞代谢和侵袭性（如EMT过程）驱动肿瘤发展。文章详细探讨了ECM刚度、流体剪切力等机械应力通过YAP/TAZ、Piezo、FAK等关键通路调控肺癌细胞行为的机制，并展望了靶向ECM重塑（如LOXL2）和机械传感分子（如TRPV4激动剂）的治疗新策略。

　　

1 引言

哺乳动物细胞能够感知并对其周围环境的机械特性作出反应。疾病进展通常与细胞和组织力学的动态变化相关联。肺部是一个固有的机械敏感器官，因此承受着巨大的机械力。证据表明，肺肿瘤承受并响应主动和被动力，这些力对其起始、分化、迁移和效应功能以及其细胞外基质的功能都至关重要。

2 肺的生理生物力学

呼吸通过气体交换（外呼吸、运输和内呼吸）维持代谢。肺是机械敏感的，肺泡可拉伸高达12%。机械应力影响细胞生长和修复——过度应变会导致细胞凋亡并延迟愈合。这些变化由ECM的改变介导，影响疾病发展。肺损伤后，上皮细胞在机械应变下进行修复。

3 肺癌细胞的生物力学特性

3.1 机械刚度和可变形性

机体中的细胞承受各种形式的机械刺激，包括流体剪切力、流体压力、周围基质的拉伸和压缩力等。根据机械应力的来源，可分为由ECM机械特性介导的细胞内应力，以及固体/液体压力、张力和流体剪切应力等外源性应力。

癌细胞表现出独特的机械特性，包括细胞刚度和弹性，这些特性与细胞迁移、转移和上皮-间质转化（EMT）过程密切相关。与体内的正常间皮细胞相比，来自肺癌、乳腺癌和胰腺癌患者的癌细胞具有更低的杨氏模量，表明其刚度更低（相当于弹性更差）。肺癌细胞的物理特性，尤其是刚度，是其生物学行为的一个重要方面。研究表明，肺癌细胞的机械强度低于正常肺细胞。肺癌细胞表现出增加的可变形性，这使得它们更容易侵入邻近组织和血管。恶性细胞的细胞膜振动幅度和机械能耗散明显大于良性细胞。低刚度的肺癌细胞能更好地适应和穿越机械应激环境，这有利于其生长和转移。

3.2 关键的机械传感器和通路

肺癌细胞的机械刚度受细胞内微观结构和ECM的共同调节。细胞内微观结构，包括肌动蛋白细胞骨架的组织和密度，以及ECM中胶原蛋白和其他成分的密度和交联程度， substantially 影响肺癌细胞的机械特性，尤其是刚度。

较低的肿瘤组织刚度加速了肿瘤细胞的增殖并促进其侵入周围健康组织，而增加的刚度则导致肿瘤细胞的侵袭表型。肿瘤与其机械微环境之间的相互作用跨越多个空间尺度。在细胞水平，癌症相关成纤维细胞（CAF）在肿瘤进展过程中被激活，促进基质结缔组织增生并增加组织刚度。

在A549细胞中，周期性拉伸导致细胞骨架富集和线粒体重组，从而增加了肺腺癌的侵袭性。在肺癌患者中，机械通气与PCSK9丰度增加和转移比例升高相关， consequently 导致生存率降低。受体酪氨酸激酶的激活被发现可促进细胞软化和运动，并加速恶性疾病的进展。此外，全氟辛酸与跨膜整合素的相互作用 reportedly 引发了细胞机械特性的改变，导致细胞骨架重组，并触发细胞内粘着斑激酶（FAK）-磷酸肌醇3-激酶-蛋白激酶B通路的激活。这一连串事件最终促进了肺癌细胞的迁移和侵袭。细胞通过调节细胞骨架刚度来维持外力，而微管则充当承压元件。一项研究表明，机械诱导的细胞代谢增加了微管的谷氨酰化，从而促进转移。

通过与转录因子Y-box结合蛋白1（YBX1）相互作用，LINC00472下调波形蛋白的表达，导致更致密和有组织的微丝。这增加了A549细胞的细胞刚度， thereby 抑制EMT过程， consequently 抑制肺腺癌细胞的侵袭和转移。一项研究表明，金纳米粒子可以在体内引发肺癌细胞的机械生物学反应， largely 降低其迁移潜力。

癌细胞转化后细胞硬度发生变化。TGF-β1诱导的上皮-间质转化（EMT）可以在癌细胞 intravasation 和 extravasation 期间的几秒钟内被快速检测到。一项体外分析显示，Lewis肺癌（LLC）细胞在EMT后获得更强的细胞力学特性和运动能力，这些效应随后在体内被发现与体重增加下降和肿瘤重量增加相关。

大肿瘤表现出更高的间质应力。研究表明，28例人肺、结肠、头颈部肿瘤中心区域的核分裂指数以及核转录因子-κB（NF-κB）、磷酸化IκB和细胞周期蛋白D1的免疫反应性显著高于相应的瘤周组织。大而硬的肿瘤的快速生长可以 raise 瘤内张力，并通过机械敏感钙通道刺激肿瘤增殖，形成一个促进肿瘤增殖的正反馈循环。干扰这一信号 may 阻止大的、不可切除肿瘤的进展。

大量研究表明，机械力在肺癌的发生和发展中起着重要作用。细胞与ECM之间的相互作用促进了细胞对机械力的感知，这些力随后被转化为生化信号， thereby 触发生物反应。包括FAK、机械敏感蛋白YAP/TAZ、张力敏感离子通道Piezo1/Piezo2、Rho GTPases和力转导蛋白等，进一步影响特发性肺纤维化向肺癌的演变并促进肺癌细胞的增殖。

4 肺TME中的生物力学变化

4.1 ECM重塑和刚度

肿瘤微环境（TME）包含了肿瘤细胞周围的局部环境，不仅包括肿瘤细胞本身，还包括支持性基质细胞、ECM、血管系统、免疫细胞和无数信号分子。癌细胞在一个机械和化学异质的微环境中增殖，该环境在整个肿瘤进展过程中动态演变。

微环境硬化对肿瘤发生过程有显著影响。丝状伪足被假设为细胞机械传感器，使其能够检测环境刚度。此外，丝状足是延伸还是缩回是一个纯粹的随机过程，不依赖于基底刚度。丝状伪足活性受细胞粘附强度的密切调节。

升高的固体组织刚度加剧了肺癌的进展并恶化预后。研究表明，基质细胞（包括成纤维细胞和星状细胞）中刚性诱导的自噬在体外和体内均对促进邻近癌细胞的生长起着至关重要的作用。这种自噬过程依赖于整合素αV，其靶向肿瘤-间质串扰。仅组织机械特性的改变就足以对基质细胞群进行代谢重编程， thereby 产生一个支持癌症的代谢生态位。

肺结缔组织由肺细胞和ECM组成。ECM的特性由其成分定义，特别是蛋白聚糖、胶原蛋白和弹性蛋白。研究发现，由于纤维连接蛋白、弹性蛋白和层粘连蛋白等ECM蛋白的变化，肺刚度随着年龄的增长而增加。研究在具有不同刚度和纤维密度的胶原基质中测试了A549腺癌细胞球体。他们发现压缩的胶原蛋白抑制了球体的扩张，但不影响肿瘤生长。相反，它增加了MMP活性，这与降低的基质刚度相关。这些发现表明纤维结构抵消了基质刚度诱导的运动。

基底膜是一种ECM亚结构，宽度仅为100–400 nm，其生物力学特性对肿瘤进展和转移至关重要。肺泡功能依赖于ECM的机械强度及其对外力的响应。基底膜比相邻的细胞层更硬。

肺癌的ECM成分包括CAF、血管网络、内皮细胞、间充质干细胞、免疫细胞和可溶性物质。ECM刚度可以调节癌细胞的生长和表型。在体内，细胞对周围三维（3D）细胞外基质和相邻细胞施加拉力。这些牵引力 may 增加刚度并重塑基质，这反过来又影响细胞功能。这种动态相互作用介导了肿瘤发展。

成纤维细胞、人结肠癌细胞（FET）和A549细胞在3D ECM中表现出明显的力变化。在模拟TME的FET/CAF共培养模型中，组织刚度在24小时内增加了两倍。ECM发出的机械信号可以影响细胞的密度分布。注意到接种在胶原密度差的基质中的细胞具有增强的迁移潜力。细胞从其原生簇迁移 away， favoring 微结构的产生。一项研究发现，改变基质硬度增强了A549细胞在3D培养中的增殖和侵袭性。此外，观察到基底硬度通过粘着斑信号调节肺癌细胞的迁移，但不通过EMT信号。关于ECM刚度对肿瘤细胞EMT影响的这些发现之间的差异 likely 源于使用的不同培养系统：3D培养 versus 二维培养。

4.1.1 ECM成分的沉积

由于ECM沉积导致的基质硬化与肿瘤进展密切相关。由ECM硬化上调的纺锤体极体成分25同源物对肺癌细胞增殖至关重要。源自ECM的机械信号可以诱导向恶性表型的转变。转移，导致90%以上的癌症死亡，受细胞内力的调节。细胞收缩性决定了最佳功能所需的基质刚性，并影响转移性癌细胞在组织植入过程中的定位。

4.1.1.1 胶原蛋白

上皮肿瘤转移由胶原交联驱动，这使得周围组织更硬，并帮助肿瘤细胞变得更具侵袭性。压缩的胶原结构抑制了A549腺癌细胞球体的扩张，激活了MMP活性，并降低了硬度，而不影响肿瘤细胞的增殖能力。研究发现CAF和LH2都能诱导肿瘤基质中的胶原交联转换，并增强肿瘤细胞的转移特性。IV型胶原蛋白通过激活整合素信号通路参与调节肿瘤细胞刚度和迁移。整合素α11β1，一种纤维胶原的受体，在成纤维细胞分化为CAF的过程中过度表达。整合素α11β1通过介导胶原重组和调节肿瘤微环境内的基质刚度，促进NSCLC肿瘤发生和转移。研究表明，在病理条件下，如器官纤维化或实体瘤微环境中的异常I型胶原交联和沉积，身体的力学发生显著变化。这些变化导致微环境的弹性模量显著增加，并增强了ECM的整体刚度。

4.1.1.2 上皮-间质转化

围绕癌细胞的ECM沉积导致的基质刚度增加同时与上皮-间质转化相关。在基质硬化过程中EMT标记基因p300的过表达和/或随后通过c-Myb介导的乙酰化导致DDR2上调 may 驱动EMT基因激活和增加肺癌细胞侵袭性。此外，生理基质的刚度已被证明影响癌细胞分泌的小细胞外囊泡的数量和蛋白质含量，这些囊泡随后 facilitated 癌细胞的转移。ECM刚度对细胞行为的调节贡献显著；然而，其在肿瘤侵袭中的重要性仍未完全了解。

4.1.2 粘着斑的变化和响应

粘着斑（FAs）是机械感觉结构，将物理刺激转化为指导细胞迁移的化学信号。在正常和肿瘤细胞中抑制神经调节蛋白表达导致FA体积和荧光强度减少，但不影响细胞向伤口的迁移。证据表明，斑珠蛋白（zyxin）作为一个关键的机械转导器，对于调节基因表达至关重要。Zyxin通过enabled（Ena）/血管舒张刺激磷蛋白响应机械张力增强肌动蛋白聚合， thereby 促进应力纤维重塑和修复。Zyxin响应机械拉伸从FA重新定位到细胞核，通过与转录因子（包括核基质蛋白4）相互作用调节基因转录。

4.1.3 TGF-β1驱动的纤维化和肿瘤微环境中改变的细胞机械特性

TGF-β1信号促进胶原积累和纤维化，表现出抗炎作用，并抑制上皮细胞增殖。增强的细胞刚度是与TGF-β1诱导的上皮-间质转化相关的一个突出的机械特性。TGF-β1诱导的癌细胞转化过程中的细胞骨架重塑介导了NSCLC细胞刚度的变化。NF-κB，免疫反应和癌症进展的主要调节器，也对基底硬度有响应。基底硬度通过肌动球蛋白收缩调节NF-κB活性，导致在刚性基底上的H1299肺腺癌细胞出现更分散的状态。

4.2 血管和固体应力

肿瘤血管系统的特点是形态异常和通透性过高，其程度可以影响肿瘤侵袭性和药物向肿瘤的递送。肿瘤 disrupt 血管稳态，导致异常血管生长和具有不同硬度的纤维胶原过度积累。围绕实体瘤的基质硬化增加了血管通透性。基质刚度通过激活粘着斑激酶（FAK）调节内皮屏障完整性。瞬时受体电位香草素4（TRPV4）通道作为内皮细胞中的机械传感器，调节由循环应变引起的重新定向和由剪切应力产生的一氧化氮。这些通道通过维持细胞连接处的VE-钙粘蛋白表达来 preserve 肿瘤血管完整性。TRPV4通过调节肿瘤内皮细胞的机械敏感性来调节肿瘤血管的形成和成熟。同样，TRPV4通过Rho/Rho激酶途径调节内皮细胞机械敏感性，从而调节内源性血管生成。

肿瘤是复杂且异质的组织，不仅包括肿瘤细胞，还包括多样化的微环境，包括成纤维细胞、免疫细胞和内皮细胞。这些细胞与专门的ECM一起，建立了一个有利于肿瘤进展的微环境。

肺泡上皮细胞细胞外微环境中的机械力可以介导其功能。糖萼是细胞膜表面发现的一层厚厚的多糖层，充当细胞与其周围环境之间的信使。

4.3 非肿瘤细胞的响应

4.3.1 肿瘤相关成纤维细胞

ECM稳态紊乱导致新的旁分泌信号、细胞-细胞通讯和细胞-ECM相互作用，对肿瘤细胞增殖、侵袭、转移、免疫抑制和/或耐药性具有关键意义。CAF作为ECM和旁分泌信号的关键生产者，在这些过程中起着至关重要的作用。

活化