新型装置揭示剪切应力下癌细胞的 “生死博弈”，有望改写癌症转移认知

为解决剪切应力对癌细胞影响研究的技术局限问题，作者[第一作者单位] 研究人员开展关于新型剪切应力发生器（SSG）的研究，发现其能模拟生理应力，还揭示细胞周期新现象。该研究为癌症转移研究提供新思路，值得科研读者一读。

　　

在癌症的发展过程中，癌症转移是极为致命的阶段，大约 90% 的癌症相关死亡都归咎于它。癌细胞从原发肿瘤转移到远端组织的过程中，会遭遇各种各样的因素和压力，其中，流体剪切应力（指血液和淋巴血管以及间质液中存在的一种物理力，会对细胞产生影响）对循环中的癌细胞影响很大。然而，目前人们对剪切应力如何影响癌细胞，乃至对人类细胞的影响，了解得还远远不够。

造成这种认知不足的主要原因是技术的限制。现有的研究方法，要么是采用复杂的单细胞分析技术，从患者外周血循环中分离细胞进行分析；要么依赖模拟血管内流体循环的流体系统。但这些流体系统通常只能用于贴壁细胞的研究，无法应用于悬浮细胞，而且每次能够检测的细胞数量有限，这使得我们对循环细胞，尤其是循环肿瘤细胞（CTCs）的生物学特性知之甚少。

为了填补这一关键的知识空白，研究人员决心研发新的实验工具。来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《< 期刊原文名称 >》上发表了一篇名为《< 论文原文标题 >》的论文。他们设计、构建、验证并应用了一种新型设备 —— 剪切应力发生器（SSG），这种设备能够模拟细胞在血管中所经历的生理流体剪切应力条件。研究发现，在持续的剪切应力作用下，大多数人类细胞系会释放出有丝分裂细胞，并且剪切应力会在细胞分裂前的阶段阻断细胞周期，不过这种阻断在早期是可逆的。同时，部分癌细胞能够绕过这一安全机制，这对肿瘤的扩散可能有着重要的影响。这一研究成果为理解正常细胞和癌细胞对剪切应力的不同反应提供了新的视角，也为循环肿瘤细胞和肿瘤转移的研究开辟了新的道路。

在这项研究中，研究人员运用了多个关键技术方法。首先，他们构建了一种独特的实验装置 —— 剪切应力发生器（SSG），由夹状平台、连接的步进电机等组成，通过定制程序驱动电机，使细胞培养瓶产生振荡，进而产生剪切应力。其次，利用计算流体动力学（CFD）模型，模拟培养瓶内的自由表面流动，以此来分析产生的剪切应力。此外，还使用了定量聚合酶链反应（qPCR）、蛋白质免疫印迹分析（Western blot analysis）、集落形成试验（CFA）和流式细胞术分析（Flow cytometry analysis）等多种生物学检测技术，从基因表达、蛋白水平等多个层面探究细胞对剪切应力的反应。

下面我们来详细看看研究结果：

• 剪切应力发生器（SSG）的构建与表征：研究人员打造的 SSG 装置，看起来就像一个有着特殊用途的 “小机器”。它由一个能夹住标准 150 细胞培养瓶的夹状平台和一个步进电机的转子相连，通过定制程序驱动电机，让培养瓶在水平面上摆动。这个摆动会在培养瓶内引发培养液的波动，就像在小小的 “细胞世界” 里掀起了 “波浪”。研究人员利用 CFD 模型对培养液的流动情况进行模拟，发现培养瓶内的波动会伴随着剪切应力的变化。而且，他们测试了不同的摆动周期，发现周期越短，在培养瓶底部产生的加权平均剪切应力越大。不过，当摆动周期快到 1.22 秒时，液体甚至会冲到培养瓶的盖子上，这时底部的剪切应力分布反而更均匀，但数值会相对较低。经过计算，在标准的 2.44 秒周期下，产生的加权平均剪切应力值与人类静脉系统中的水平相符，并且该装置能稳定运行好几天，能耗还低，非常适合放在细胞培养箱里使用。
• 产生的剪切应力的生物学相关性和影响：研究人员想知道这个装置产生的剪切应力对细胞有没有实际影响。他们首先观察了内皮细胞（ECs）在这种应力下的变化，发现内皮细胞会像在真实血管中一样，根据流体向量伸长，而且和商业流体系统的效果差不多。接着，研究人员从分子层面进行探究，检测了内皮细胞的机械感受和信号通路相关指标。结果发现，在 SSG 产生的剪切应力作用下，内皮细胞中的一些机械敏感通路被激活，像 ICAM - 1 和 VCAM - 1 这些分子的转录水平发生了变化，一些蛋白激酶也出现了磷酸化现象。这一系列实验表明，细胞确实能感知到 SSG 产生的剪切应力，而且这种应力既有层流的特点，又有紊乱流的特征。
• 流体剪切应力诱导细胞分裂前的阻断：在实验中，研究人员发现，当一些贴壁生长的细胞系受到 SSG 产生的机械力作用时，在有丝分裂期间会有细胞释放到悬浮液中，这是因为有丝分裂细胞与培养表面的粘附力较弱，也就是所谓的 “有丝分裂脱落”。这一现象和肿瘤细胞的扩散可能关系密切，说不定有些循环肿瘤细胞就是这样从原发肿瘤上脱落进入血液的呢。研究人员进一步观察这些悬浮的有丝分裂细胞的命运，结果发现，在持续的流体剪切应力下，像人类原代成纤维细胞 BJ，以及一些癌细胞系（如 U - 2 - OS 骨肉瘤细胞、MDA - MB - 231、MCF7 和 BT549 乳腺癌细胞、A549 肺癌细胞）中的细胞都无法完成细胞分裂的最后阶段 —— 胞质分裂，最后形成了类似双核的细胞。经过显微镜观察，还能看到这些细胞中存在未完成分裂的肌动蛋白 - 肌球蛋白收缩环。研究人员还测试了这些双核细胞在模拟血流环境中的生存能力，发现长时间在持续剪切应力下培养，这些细胞很难存活，这说明这个新发现的细胞周期阻断机制可能对限制癌细胞的转移潜力有着重要作用。不过，也有一些癌细胞系，像 SiHA、HeLa S3、PC3 和 Cal51 细胞，表现出不同的行为模式，它们在持续剪切应力下虽然也有细胞悬浮，但细胞分裂过程相对正常，而且部分细胞在长时间剪切应力作用下，有的出现了细胞生长抑制，有的甚至还能正常增殖。
• 细胞分裂前细胞周期阻断的可逆性：对于这个新发现的细胞分裂前的细胞周期阻断现象，研究人员很好奇它是否可逆。于是，他们以 U - 2 - OS 细胞为模型进行实验。先把 U - 2 - OS 细胞放在 SSG 装置上培养 18 小时，然后收集悬浮的细胞对（类似双核细胞）并立即进行接种。结果发现，这些重新接种的细胞能够重新附着并完成细胞分离过程（胞质分裂），随后还能进入 S 期并恢复相对同步的细胞生长，这通过对不同时间点细胞 DNA 含量的流式细胞术分析得到了验证。此外，研究人员还进行了集落形成试验（CFA），结果显示，与对照组相比，经过剪切应力处理不同时间的细胞形成集落的能力有所下降，但这也证明了这种阻断在早期是可逆的。

综合以上研究结果，研究人员认为他们的这项研究在理解剪切应力对各种细胞（包括正常细胞和癌细胞）的影响方面取得了重要进展。新设计的 SSG 为细胞培养提供了一种便捷的工具，它能模拟细胞在血液中的一些生理条件，而且操作简单、成本低，还能和标准实验室设备配合使用，特别适合长期实验。这一设备为癌症研究开辟了新的方向，尤其是在研究肿瘤细胞通过血液传播这一危险过程方面。不过，这个研究也有一定的局限性，比如无法精确模拟复杂的血流和压力变化等情况。但它产生的剪切应力与静脉系统甚至可能与动脉系统中的应力值相符，并且能有效引发一些预期的细胞反应，为细胞应激研究提供了新的手段。更重要的是，研究人员发现的这个可逆的细胞分裂前阻断现象，为我们理解细胞对机械应力的反应增添了新的内容。它暗示着在恶劣的剪切应力条件下，细胞存在一些生存机制，这对癌症转移研究意义重大。另外，部分癌细胞能绕过这一安全机制的现象也引发了很多新的问题，比如这个过程是如何调控的，哪些遗传和表观遗传因素使得这些癌细胞能够绕过阻断，以及这对循环癌细胞的生存和命运会产生什么影响。虽然还有很多未知等待探索，但这项研究已经为后续的研究指明了方向，相信未来在这一领域会有更多重要的发现，为攻克癌症带来新的希望。