细胞外基质老化作为三维癌症模型中的生物学变量：年龄感知模型设计框架

《Materials Today Bio》：Extracellular Matrix Ageing as a Biological Variable in 3D Cancer Models: A Framework for Age-Aware Model Design

　　

细胞外基质（ECM）老化作为三维（3D）癌症模型中的生物学变量：年龄感知模型设计框架。ECM老化是多维度的，不能仅简化为基质刚度。年龄感知模型可分为四类：天然老化型、特定修饰型、细胞重塑型和混合型。老化ECM可改变肿瘤侵袭和药物反应；发育期ECM尚未在癌症模型中得到测试。研究人员提出用于年龄感知3D体外癌症模型的报告与验证标准。

细胞外基质（ECM）老化是肿瘤微环境（TME）中被长期忽视的生物学变量。癌症虽可发生于任何年龄，但多数诊断于老年人；全球癌症新发病例预计将从2024年的2060万增至2050年的3440万，增幅约67%。肿瘤是恶性细胞与基质细胞、免疫细胞、血管和ECM动态互作的复杂组织，而ECM不仅是结构支架，还调控黏附、迁移、信号传导和组织力学。然而，多数三维（3D）体外癌症模型使用单一ECM来源或供体年龄，无法反映年龄依赖的TME差异。既往综述将ECM老化、肿瘤ECM生物学和3D模型分开讨论，缺乏将其整合的实验框架。研究人员因此综合现有证据，提出年龄感知模型设计框架，区分时间性ECM老化、特定年龄相关修饰、细胞介导ECM重塑和混合多组分模型，并制定报告与验证标准。这一工作为开发更具生理相关性的下一代年龄感知癌症模型提供了概念基础。论文发表在《Materials Today Bio》。

研究人员通过PubMed检索1980年1月1日至2026年7月1日发表的原创研究，关键词包括“extracellular matrix/ECM”“ageing”“3D in vitro cancer models”和“ECM remodelling”，最终纳入11项符合标准的研究。这些研究使用的关键方法包括：脱细胞基质（dECM）、组织来源水凝胶、分离的鼠尾腱胶原、体外糖化修饰胶原、微流控肿瘤-血管芯片、人真皮成纤维细胞来源基质、间充质基质细胞共培养模型。样本来源包括年轻（2–6月龄）与年老（20–25月龄）小鼠、成年（10周或2月龄）与老年（100周或2岁）大鼠、以及人真皮成纤维细胞（<45岁 vs >55岁）。ECM验证涉及组成、纤维结构、生化修饰和力学表征。

4.1 时间性老化细胞外基质：天然老化的ECM保留体内积累的多种变化。Bahcecioglu等比较年轻和年老小鼠乳腺dECM，发现老化dECM在脱细胞后更硬，促进非恶性KTB21和MDA-MB-231细胞运动、侵袭和上皮-间质转化（EMT）样基因表达，LOX siRNA可逆转部分表型。前列腺模型中，年老鼠尾腱胶原含约两倍透明质酸（HA），增加前列腺上皮和癌细胞增殖及侵袭。Yang等发现年老胶原增强乳腺癌球体侵袭，但储能模量无差异；在720种FDA批准药物筛选中，27种药物仅对年轻基质有效，7种在年老基质中更有效。Sarazin等发现老年胶原在3D培养中提高A549和BZR细胞EGFR表达和磷酸化，使厄洛替尼IC₅₀升高约40%，而2D培养无差异。Florent等发现年老胶原储能模量约2.8 kPa，显著高于年轻胶原的1.6 kPa，使黑色素瘤细胞维莫非尼IC₅₀增加约两倍，并在年老胶原异种移植物中失去疗效。这些证据表明天然老化ECM确实影响肿瘤行为，但多变量同步变化使因果归因受限。

4.2 特定年龄相关ECM修饰：糖化是一种明确的生化老化修饰。Dandia等用葡萄糖诱导胶原I糖化，引起纤维束化、孔径和储能模量增加，改变细胞形态和迁移而不影响增殖，抗RAGE抗体减弱这些反应。Kumar等在微流控芯片中用甲基乙二醛处理胶原I和富含层粘连蛋白的基底膜，导致交联和基底膜溶解，并增加癌细胞血管内渗。然而，自然老化胶原的增殖效应并不依赖RAGE，而是与DDR2活性降低及JAK2/ERK信号改变相关。这说明单一修饰仅能复制老化的一部分特征，不能完全代表自然老化基质。

4.3 细胞介导的ECM重塑：Ghosh等将经γ辐照衰老的间充质基质细胞与MDA-MB-231共包埋在胶原中，衰老细胞增加胶原沉积和纤维束形成，促进球体生长和侵袭；MMP抑制剂阻断侵袭，LOX抑制剂和抗periostin仅部分降低效应。Kaur等发现来自>55岁供体成纤维细胞沉积的基质缺乏HAPLN1，促进黑色素瘤侵袭和转移，并改变免疫细胞运动；重组HAPLN1可逆转这些效应。此类模型体现了老化过程中细胞对ECM的主动重塑，但难以将基质效应与衰老相关分泌表型（SASP）的旁分泌作用完全分离。

4.4 证据表明了什么？：现有证据表明，天然老化ECM可增强肿瘤侵袭和运动，这是最常见表型；增殖增加仅在部分前列腺、纤维肉瘤、肺癌和黑色素瘤模型中观察到；药物反应改变见于厄洛替尼和维莫非尼研究。不同建模策略产生不同证据类型：天然老化基质生物保真度高但机制分辨率低；特定修饰模型机制清晰但仅覆盖部分老化特征；细胞介导模型反映动态过程但变量复杂。没有单一力学参数能解释所有表型——增强侵袭可出现在力学无差异的基质中，也可出现在显著更硬的基质中。此外，证据基础仍窄：11项研究均针对成人癌症，无儿科或发育期ECM模型；7项天然老化研究中6项使用啮齿动物尾腱胶原，仅1项使用器官匹配ECM，仅1项使用人类供体；仅3项包含体内实验；尚无研究将老化ECM同时与老化基质、免疫和血管组分结合。

在讨论部分，研究人员强调模型选择应在生物保真度和机制分辨率之间权衡。应通过三个问题指导选择：老化ECM状态是否与表型相关（使用天然老化基质）、哪种ECM特征发挥作用（使用特定修饰模型）、机制在复杂微环境中是否成立（使用细胞介导或多组分模型）。报告标准包括明确老化变量、验证ECM表型、独立表征生化/结构/力学性质，并使模型复杂度与研究问题相称。未来方向包括整合免疫和血管老化、引入生物老化指标、开发患者来源系统和儿科发育期ECM模型，并符合3Rs原则和新方法学（NAM）要求。结论部分可概括为：年龄相关ECM重塑是涉及组成、结构、生化修饰、力学和周转的多维过程，这些特征相互关联但不可互换，不应以单一力学指标代表老化ECM；年龄相关ECM状态能影响肿瘤细胞侵袭、增殖、信号传导和治疗反应；年龄感知系统应基于其复现的老化特征、验证程度和因果推断能力进行选择和解释，而非单纯追求模型复杂性。