综述：用于转移研究的微生理系统：逐步方法

《Cellular Oncology》：Microphysiological systems for metastasis research: a stepwise approach

本综述系统阐述了微生理系统（MPS）在癌症转移研究中的应用进展。文章采用逐步策略，重点介绍了MPS如何模拟转移过程中的关键步骤，包括局部侵袭（涉及细胞外基质ECM、基质细胞、间质流体流IFF）、血管相关事件（内渗、循环、外渗）以及远端器官定植。MPS通过整合生理相关的生化/生物物理线索（如剪切应力、EMT）和三维微环境，克服了传统模型的局限性，为阐明转移机制和开发靶向疗法提供了强大平台。

　　

微生理系统：揭秘癌症转移之路的利器

癌症转移是导致癌症相关死亡的主要原因，它是一个极其复杂的多步骤过程。肿瘤细胞首先从原发部位脱离，侵入周围的细胞外基质（ECM），然后进入血管或淋巴管（内渗），在循环系统中存活并播散，最终在远端器官滞留并穿出血管（外渗），适应新的微环境形成转移灶。在这一系列过程中，肿瘤细胞不断受到局部微环境中生物和生物力学因素的选择压力。传统的体外模型难以模拟这些动态相互作用，而动物模型则存在物种差异和实时监测困难等局限。微生理系统（MPS）的出现为解决这些挑战提供了强有力的工具，它能够提供生理相关的微环境信号和精确的实验控制，从而逐步重现转移过程中的特定阶段。

模拟局部侵袭的微生理系统

侵袭是转移的起始关键步骤，在此过程中，肿瘤微环境（TME）通过其结构成分、细胞组分和力学信号深刻影响着肿瘤细胞的行为。

细胞外基质的影响

ECM不仅是支撑结构，还提供生化信号和力学线索，调节肿瘤细胞的粘附、行为和运动。MPS通常将ECM模拟水凝胶（如胶原I、Matrigel）置于中央腔室，两侧通道形成化学趋化因子梯度，以研究肿瘤细胞的侵袭。研究表明，肿瘤细胞在MPS中展现出集体侵袭行为，由前导细胞（Leader Cell）带领，并且细胞连接蛋白E-钙粘蛋白（Ecad）对于维持细胞簇的 cohesion 至关重要。与分散的细胞相比，三维球体或类器官在MPS中能更好地模拟原发性肿瘤的空间异质性，其侵袭能力更强。MPS还能精确控制ECM的刚度、密度和纤维排列方向。研究发现，增加ECM刚度通常会阻碍肿瘤细胞侵袭，但富含层粘连蛋白等成分的基质可通过增强细胞粘附反而促进侵袭。此外，肿瘤细胞倾向于沿对齐的胶原纤维方向侵袭，这表明ECM的结构导向作用显著。

基质细胞的影响

癌症相关成纤维细胞（CAFs）是TME中最丰富的基质细胞，通过重塑ECM（如改变其组成、刚度和结构）来促进肿瘤侵袭。MPS共培养模型揭示，CAFs能上调基质金属蛋白酶（MMP3/MMP9）的分泌，从而降解ECM，为肿瘤细胞迁移开辟道路。与正常成纤维细胞（NFs）相比，CAFs更能促进肿瘤细胞的侵袭和增殖，并且这种促侵袭作用在与高侵袭性肿瘤细胞共培养时更为显著。转化生长因子-β（TGF-β）信号通路是肿瘤细胞与CAFs之间相互作用的关键媒介。此外，肿瘤相关巨噬细胞（TAMs），特别是M2型TAMs，也能通过分泌促血管生成因子和ECM重塑酶来促进肿瘤侵袭和血管生成。

间质流体流的影响

肿瘤生长导致的间质流体压力升高会驱动间质流体流（IFF），IFF能通过对流运输细胞因子和直接施加流体剪切应力影响肿瘤细胞。MPS研究显示，IFF可以诱导肿瘤球体解离，破坏Ecad连接，并促进肿瘤细胞向上游迁移（逆流迁移）。IFF还能将TAMs极化为促肿瘤的M2表型，并增强肿瘤细胞与CAFs之间的信号传导。

模拟血管相关转移步骤的微生理系统

模拟肿瘤细胞内渗

当肿瘤靠近血管时，其与内皮细胞的相互作用变得至关重要。MPS模型，特别是那些包含微血管网络（MVN）或内皮细胞铺衬（ECL）管道的模型，可以模拟肿瘤诱导的血管生成和血管通透性增加，从而促进内渗。研究发现，侵袭性肿瘤细胞能够诱导血管出芽并破坏内皮屏障，进而实现内渗。有趣的是，细胞有丝分裂产生的机械力也被发现可以暂时破坏内皮连接，帮助子代细胞进入循环系统。除了血管内渗，MPS研究也揭示了肿瘤细胞通过形成镶嵌血管（mosaic vessels）或直接与淋巴管内皮相互作用进入淋巴系统的机制。

模拟肿瘤细胞循环

循环肿瘤细胞（CTCs），尤其是CTC簇，在循环系统中面临流体剪切力和毛细血管狭窄处的物理约束。MPS通过具有特定几何形状的微通道来模拟这一过程，研究发现CTC簇因其较大的拖曳力而流速较慢，并且表现出惊人的变形能力以通过狭窄的毛细血管。CTC的表型处于上皮-间质转化（EMT）的混合或部分状态，上皮连接成分对维持CTC簇的稳定性至关重要，而间质特征则增强其变形性和生存能力。

模拟肿瘤细胞外渗

CTCs在远端器官毛细血管床的滞留和外渗受物理因素（如血管直径、剪切应力）和分子相互作用（如细胞表面蛋白与内皮受体的结合）调控。MPS研究表明，较低的流体流速更有利于CTC的稳定粘附。内皮细胞表面的糖萼（GCX）层通常起到屏障作用，但炎症等因素可破坏GCX，此时CTCs沉积的透明质酸（HA）可通过CD44受体介导后续CTC的粘附。凝血因子如纤维蛋白原也能通过桥接细胞间粘附分子-1（ICAM-1）来增强CTC与内皮的粘附。此外，免疫细胞如中性粒细胞和单核细胞，可通过形成聚集体、分泌白细胞介素-8（IL-8）或基质金属蛋白酶-9（MMP9）等方式，破坏内皮连接，主动促进肿瘤细胞的外渗。

模拟转移定植的微生理系统

肿瘤细胞对特定远端器官的定植（器官趋向性）深受靶器官微环境的影响。多器官MPS模型揭示了循环肿瘤细胞会优先粘附并侵入与其原发肿瘤类型相匹配的器官构建体（如肺、肝）。转移前微环境（PMN）的形成是关键，原发性肿瘤释放的外泌体（EVs）和信号分子可提前到达远端器官，通过诱导血管重塑、ECM改造、免疫抑制和血管生成等过程，为肿瘤细胞的定植做好准备。

定植成功后，肿瘤细胞可能进入休眠状态。MPS模型显示，骨微环境中的间充质干细胞（MSCs）可维持肿瘤细胞休眠，而破骨细胞介导的骨吸收所释放的炎症信号则可触发休眠复苏。另一方面，模拟肺部呼吸运动的力学刺激可抑制非小细胞肺癌（NSCLC）的生长和侵袭，提示机械力在调控肿瘤休眠中扮演重要角色。

挑战与未来展望

尽管MPS在模拟转移方面取得了显著进展，但仍面临挑战，例如如何更好地复现组织特异性微环境的复杂性，提高模型的标准化和通量，以及整合更先进的实时监测技术（如生物传感器）。未来，随着多器官MPS、与类器官的整合以及计算模型相结合的发展，MPS有望在阐明转移机制、推进药物筛选和个性化医疗方面发挥更大的作用，并逐渐成为临床前研究的重要工具。美国食品药品监督管理局（FDA）近期对替代动物试验技术的认可，也进一步肯定了MPS等人类源性模型在药物评估中的潜力。