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这篇综述聚焦于利用循环拉伸激活 Piezo1 通道来对抗癌症，阐述了其物理机制及细胞响应差异。
引言
癌症治疗一直是医学领域的重要课题，传统的放疗和化疗存在诸多弊端。比如，它们不仅会对上皮细胞和癌细胞造成非选择性损伤，还可能促使癌细胞进入静止状态，导致治疗效果不佳。而循环拉伸作为一种新兴的治疗方法，逐渐受到关注。研究发现，循环拉伸能够选择性地诱导癌细胞死亡，同时促进健康上皮细胞的迁移和增殖。
上皮和癌细胞单层的机械循环拉伸
在众多实验中，循环机械拉伸展现出选择性诱导癌细胞死亡，同时增强上皮细胞迁移和增殖的特性。实验采用的频率范围在10?2?103Hz，振幅高达 30%，暴露时间从几十分钟到数小时不等。不同频率和时间尺度会激发细胞结构的特定元素，例如，分钟级别的时间尺度与细胞收缩相关，而秒级别的时间尺度涉及丝状间相互作用以及跨膜蛋白和脂质的侧向扩散。
当以 0.5Hz 的频率和 5% 的应变对上皮 MCF10A 和癌性 MDA-MB-231 单层细胞在刚性底物上进行 6 小时的循环拉伸时，MDA-MB-231 细胞的增殖率降低了 2.5 倍，而上皮 MCF10A 细胞的增殖率却有所提高。同样，在 1Hz 的频率下也观察到类似结果。不过，并非所有癌细胞对循环拉伸的反应都一致，像高度侵袭性的 HCT116 结直肠癌细胞，在 0.2Hz 和 10% 应变的循环拉伸下，其侵袭能力增强，而侵袭性较低的 HT29 细胞则不受影响。
细胞间和细胞内钙振荡
细胞内钙浓度的调节对细胞的多种功能至关重要，包括增殖、迁移等。在细胞迁移过程中，需要从细胞后部到前部建立钙梯度，而低水平的胞质钙振荡对于形成侵袭伪足至关重要。同时，持续增加的胞质钙或过多的线粒体钙会激活坏死或凋亡途径。
上皮细胞和癌细胞在调节细胞内钙浓度方面表现出明显差异。上皮细胞能够在生理条件下将细胞内钙水平维持在最佳范围，而癌细胞，如转移性人前列腺癌和乳腺癌细胞（PC-3M 和 MDA-MB-231），其细胞内钙浓度会自发波动，频率约为 0.01Hz。
机械应变也会干扰细胞间的钙浓度。研究表明，机械诱导的细胞内钙波可以在前列腺癌细胞中传播，其传播速度为 15μm/s，且传播过程独立于膜电位、细胞外钙离子浓度、微管网络或功能性间隙连接的存在。这种传播机制与 ATP 的释放有关，ATP 会激活离子通道，其中 Piezo1 离子通道可能发挥着重要作用。
Piezo1 离子通道的重排和激活
循环机械拉伸可以激活 Piezo1 离子通道，其激活的机械力来源于肌球蛋白轻链激酶对肌球蛋白 II 的磷酸化以及外部施加的力。Piezo1 离子通道作为循环机械刺激的频率过滤器，会使振荡的钙离子流入幅度随着连续循环而逐渐减小。
Piezo1 分子是大型的同三聚体膜蛋白，每个单体包含 2547 个氨基酸。其通道复合物由细胞外区域的三个螺旋桨状叶片、一个细胞外帽、一个细胞内锚定区域、三个细胞内梁区域以及一个孔传导路径组成。Piezo1 分子在细胞膜上横向迁移，靠近焦点黏附（FAs）的 Piezo1 分子可被细胞牵引力激活。
Piezo1 分子在红细胞膜上的平均数量约为 80 个，其分布对膜弯曲敏感，且依赖于膜曲率。其激活机制与细菌机械敏感通道 MscL 类似，包括蛋白质与脂质双层之间的能量成本以及双层固有曲率的几何影响。此外，胆固醇浓度的变化会影响 Piezo1 分子的活性，胆固醇与 Piezo1 分子之间存在直接、配体样和间接的相互作用。
胆固醇诱导的 Piezo1 通道活性变化
胆固醇与 Piezo1 分子的相互作用通过直接、类似配体和间接机制发生。直接机制涉及胆固醇介导的 Piezo1 多个区域的交联，包括锚定域的顶点。除了直接相互作用，胆固醇还可以通过改变脂质双层的粘弹性来影响 Piezo1 的活性。
模拟研究显示，随着胆固醇浓度增加，Piezo1 的足迹深度会非线性减小，在胆固醇浓度低于 10% 和高于 30% 时，这种影响尤为显著。而在 10% - 30% 的胆固醇浓度范围内，足迹深度几乎保持恒定，这可能与胆固醇和 Piezo1 的直接相互作用有关。胆固醇浓度的变化会改变 Piezo1 分子的构象和活性，进而影响细胞对机械刺激的响应。
细胞膜的现象学描述：细胞骨架 - 双层耦合
细胞膜由相互连接的肌动蛋白细胞骨架和脂质双层组成，肌动蛋白细胞骨架通过焦点黏附复合物与细胞外基质（ECM）紧密相连。这种连接在细胞迁移过程中传递机械力，影响细胞骨架的重排和基质的结构修饰。
ECM 的机械性能，如刚度和粘弹性，会显著影响焦点黏附的强度，进而影响细胞骨架的重组。同时，Piezo1 分子周围脂质双层的变形也取决于 ECM、细胞骨架和脂质双层之间的相互作用。
肌动蛋白细胞骨架由刚性的肌动蛋白丝和各种肌动蛋白结合蛋白（ABPs）组成，不同 ABPs 对细胞骨架机械特性的影响尚未完全明确。脂质双层中的脂质会形成不同的相，如凝胶相和流体相，以及富含胆固醇的微结构域 “rafts”。癌细胞和上皮细胞的脂质双层粘弹性存在差异，这与它们的脂质代谢不同有关。
双层与肌动蛋白细胞骨架在介观层面的耦合
双层与肌动蛋白细胞骨架的耦合会影响 Piezo1 分子周围的双层弯曲。在介观层面，双层弯曲可以用修正的 Helfrich 型弯曲自由能函数来描述，该函数与肌动蛋白丝的密度和流动性有关。
细胞牵引力和外部诱导的机械力会导致肌动蛋白丝的移动，其移动可以用扩散方程来描述。肌动蛋白丝的流动性受到 ABPs 浓度的影响，随着细胞骨架结构中弹性能量的积累，肌动蛋白丝的流动性会降低，进而导致细胞骨架变硬，对双层弯曲产生反馈影响。
双层 - 细胞骨架在宏观层面的耦合
为了准确描述细胞膜的粘弹性，需要估计双层与细胞骨架之间的合适耦合方式。膜的层状结构表明脂质双层和细胞骨架之间存在平行耦合，相应的应力和应变满足一定条件。
根据膜粘弹性的主要特征，可以建立肌动蛋白细胞骨架和整个膜的本构模型。通过傅里叶积分变换，可以将模型从时域转换到频域，得到膜的复模量，其中储存模量量化膜的弹性行为，损耗模量量化膜的粘性行为。
细胞膜的粘弹性：主要特征
通过主动和被动微流变技术测量细胞膜的粘弹性，并在储存模量和损耗模量随频率变化的背景下进行讨论。实验数据显示，细胞膜的储存模量和损耗模量比值在不同频率下表现出不同的行为，低于特征频率fc?时，表现出固体样行为；高于特征频率fc?时，表现出液体样行为。
此外，在低频区域（f<fc?），能量耗散和储存呈现异常性质，可以用分数阶导数来描述；在高频区域（f>fc?），能量耗散主要是由于构成细胞骨架的弱链间键的破坏。
储存模量在低频区域随频率增加而增加，在高频区域接近恒定值；损耗模量在两个区域都增加，且高频区域的增加更为明显。上皮 MCF10A 细胞的储存模量明显大于癌性 MDA-MB-231 细胞，而 MDA-MB-231 细胞的损耗模量则更高。
细胞膜的本构模型
脂质双层的流变行为主要受脂质亚扩散引起的流动性影响，而双层弯曲被视为弹性变形，因此脂质双层表现出粘弹性。粘弹性取决于脂质含量、肌动蛋白细胞骨架的粘弹性以及双层 - 细胞骨架的耦合方式。
根据脂质亚扩散导致能量异常耗散的事实，提出了相应的本构模型。对于脂质双层，其应力与应变的关系可以用包含分数阶导数的方程来描述；对于肌动蛋白细胞骨架，也建立了相应的本构模型。将这两个模型结合，可以得到整个细胞膜的应力 - 应变关系。
通过对实验数据的拟合，可以确定模型中的参数，如弹性剪切模量GsC?、有效模量ηam?、粘度ηC?和阻尼系数a。这些参数反映了细胞膜的粘弹性特性，并且与膜 - ECM 耦合有关。
循环拉伸下选择性杀死癌细胞的主要因素之间的相互作用
间充质样癌细胞具有一些独特的特征，这些特征使其在循环拉伸下表现出与正常细胞不同的行为。癌细胞的肌动蛋白细胞骨架刚度降低，双层中胆固醇浓度增加，细胞骨架重排时能量耗散显著，收缩单元数量减少，焦点黏附较小，细胞间黏附接触较弱，细胞牵引力明显，且细胞内钙水平自发振荡。
循环拉伸会触发癌细胞中 Piezo1 分子的表达增加，进一步干扰通过 Piezo1 通道的钙流入，并根据 ECM 的物理性质破坏焦点黏附，这些是导致癌细胞凋亡的主要原因。
上皮细胞能够保护 Piezo1 分子免受机械力诱导的构象扰动，从而避免钙离子的失控流入。上皮细胞和癌细胞之间的这种差异响应可以归因于它们细胞膜的粘弹性特性不同。在相同的实验条件下，上皮细胞的细胞骨架能够储存更多的弹性能量，导致肌动蛋白丝的流动性降低，细胞骨架变硬，进而减少脂质双层的弯曲；而癌细胞在循环拉伸下，由于某些丝状间键的破坏导致能量耗散增加，肌动蛋白丝的流动性增强，双层弯曲增加。
结论
循环拉伸作为一种潜在的创新癌症治疗方法，具有选择性诱导间充质样癌细胞死亡，同时促进上皮细胞迁移和增殖的能力。虽然其潜在机制已经在细胞信号传导、基因表达和生化过程等方面进行了讨论，但对驱动细胞响应的物理因素的理解仍存在显著差距。
本研究强调了物理因素的重要性，特别是肌动蛋白细胞骨架和脂质双层的粘弹性特征，以及它们的耦合如何影响上皮细胞和癌细胞在循环拉伸下的双层弯曲。研究发现，循环拉伸促进癌细胞中 Piezo1 分子的表达，而对上皮细胞中 Piezo1 分子的表达没有影响。癌细胞中收缩单元的发育减少，导致焦点黏附不稳定，最终导致细胞凋亡；而上皮细胞在循环拉伸下焦点黏附增强，在较硬的 ECM 上更为明显。
此外，脂质双层的弯曲会影响 Piezo1 分子的构象动力学，癌细胞中双层弯曲的增加会导致钙离子流入不受控制，破坏细胞内钙稳态，从而促进癌细胞凋亡。相比之下，上皮细胞在循环拉伸下积累弹性能量，减少双层弯曲，优化 Piezo1 通道的功能。
未来需要进行更多的实验，以评估细胞膜在循环拉伸过程中的流变响应，并测量每种细胞类型中细胞骨架内的残余应力积累，这是细胞骨架硬化的主要贡献因素。这将有助于进一步深入理解循环拉伸治疗癌症的机制，为开发更有效的癌症治疗策略提供理论基础。
