基于卵巢癌细胞区域异质性的机械特性进行识别

《Biosensors and Bioelectronics》：Identification of ovarian cancer cell based on mechanical properties of regional heterogeneity of cells

　　

摘要

细胞力学特性正成为肿瘤诊断和阐明癌症相关机制的有希望的生物标志物。然而，大多数研究将细胞视为机械上均匀的实体，忽略了区域异质性及其对分类的影响。原子力显微镜被用来表征肝细胞、乳腺细胞、卵巢囊腺瘤细胞和SKOV3卵巢癌细胞的力学特性。荧光染色用于分析细胞骨架拓扑参数与力学特性之间的相关性。逻辑回归和支持向量机（SVM）分类器被用来比较全细胞模型、区域特定模型和跨区域模型的性能。力学特性能够区分代表正常、良性及恶性表型的细胞。对于卵巢细胞，一种整合了多种力学特征的模型取得了0.95的接收者操作特征曲线下面积（AUC）。区域特定模型的AUC约为0.85，表明癌细胞力学存在明显的空间异质性以及细胞骨架分支结构的区域依赖性重塑。在跨细胞类型分析中，基于7702/HepG2细胞训练的SVM在对卵巢细胞应用时AUC超过0.90，表明力学特征具有相当的通用性。这些结果支持力学特性的跨细胞类型泛化，并暗示了建立跨细胞类型的力学特征参考的潜在可行性。此外，核周区和细胞质区之间的差异揭示了卵巢癌细胞中力学调控的复杂性，为理解细胞动力学提供了新的视角。

引言

传统的侵袭性癌症检测方法存在准确性有限、患者不适以及并发症等问题（Webb和Jordan，2024年）。因此，单细胞细胞学检查更适用于筛查和诊断，但由于肿瘤细胞具有重叠的形态特征，恶性分类仍然困难（Yang等人，2022年）。在这种背景下，原子力显微镜纳米压痕技术提供了一种无标记的生物标志物，用于量化弹性模量和粘附力等力学特征（Li，2024年；Quan和Kim，2016年）。侵袭性细胞通常比良性细胞更软（Gensbittel等人，2021年），而改变的粘附力调节细胞的迁移和转移（Alibert等人，2017年；Stylianou等人，2018年；Hou等人，2021年）。

基于这些观察结果，基于原子力显微镜的表型分析已扩展到肾脏（Rebelo等人，2013年）、膀胱（Elie-Caille等人，2020年）、前列腺肿瘤（Pogoda等人，2021年）以及组织切片（Lekka等人，2012年），并将硬度确立为补充的癌症指标（Cross等人，2008年；Lekka等人，2012年，2022年）。然而，大多数研究仅报告了全细胞的平均力学特性，掩盖了细胞内的多样性。这在临床上具有重要意义，因为癌细胞在细胞之间和细胞内部表现出显著的力学异质性，这源于微环境、细胞周期和基因表达的差异（Liu等人，2013年；Gavara和Chadwick，2016年）。

实际上，真核细胞的力学特性是分层化的。核纤层、染色质和核周细胞骨架控制着不同的核和细胞质流变特性，而在受到干扰时，局部特性会在亚细胞区域内发生变化（Caille等人，2002年；Dahl等人，2008年；Zhang等人，2020年）。尽管如此，空间分辨的原子力显微镜数据在诊断中的应用仍然不够充分。为了克服单变量的局限性，人们将机器学习与原子力显微镜结合使用，用于前列腺癌（Hussain等人，2017年）、宫颈筛查的分形分析（Guz等人，2015年）、乳腺癌粘弹性的聚类（Weber等人，2023年）、小数据集的深度学习（Wu等人，2023年）以及膀胱上皮癌的监督分类器（Petrov等人，2024年）。然而，这些努力主要依赖于全局平均值或单参数输入，人们担心更大的数据集并不能提高稳定性（Masaeli等人，2016年；Wang等人，2021年）。亚细胞特征是否可以作为稳健的多参数特征，以及模型是否能够在不同细胞类型之间泛化，这些问题尚未得到解决。

本研究通过一个综合框架解决了这些不足，该框架结合了亚细胞定量分析、多特征融合和跨细胞SVM验证。我们建立了一组特性指标——杨氏模量、粘附力和细胞高度——并在单细胞水平上解析了核区和细胞质区的特征。通过将这些多参数描述符整合到一个统一的分类器中，我们证明了亚细胞异质性显著提高了分类的准确性，超越了全细胞平均的局限。关键的是，通过在不同细胞系上训练的分类器对独立癌症类型进行跨细胞验证，我们证明了这些力学生物标志物在临床肿瘤检测中的泛化能力。

章节片段

细胞培养

卵巢囊腺瘤组织在冰上切碎，用0.25%的胰蛋白酶在37°C下消化20分钟，然后以1000 rpm的速度离心5分钟。细胞沉淀物在完全培养基中重新悬浮6小时。

使用Roswell Park Memorial Institute 1640培养基，其中含有10%的小牛胎血清（Life Technologies）、100 U/ml的青霉素（Boster，武汉，中国）和50 μg/ml的链霉素（Boster，武汉，中国）。细胞在37°C和5% CO₂体积分数的培养箱中生长，并定期更换新鲜培养基。

卵巢细胞的空间异质性

近年来，卵巢癌症的力学研究已经从宏观上比较癌细胞是否比正常细胞更软，发展到更详细的层次（Plodinec等人，2012年；Zem?a等人，2025年）。众所周知，细胞核和细胞质由不同的物质支撑，它们通过复杂的机械结构网络相互连接；因此，探索这两个区域之间的力学差异至关重要。

结论

在本研究中，我们基于原子力显微镜检测到的力学参数（包括杨氏模量、粘附力和表面粗糙度），结合了空间异质性来构建细胞分类的力学特征集。使用逻辑回归和SVM分析对肝细胞、乳腺细胞和卵巢细胞在全细胞和亚细胞水平上进行了分类评估。我们的研究得出了三个主要结论。首先，全细胞的力学特征——杨氏模量……

CRediT作者贡献声明

李 Wang： 资源准备。杨 Fan： 可视化、数据管理。田 Luyao： 可视化、方法学、正式分析。刘 Chuanzhi： 写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目管理、方法学研究、资金申请、正式分析、数据管理、概念构思

未引用参考文献

Lekka, 2022; Lekka等人，2012a; Lekka等人，2012b; Wang等人，2021; Zhu等人，2022。

伦理批准

本研究获得了中国人民解放军联合后勤保障部队第964医院生物医学伦理委员会的批准（批准编号：2025-Y-FC-001，批准日期：2025-08-20）。所有涉及人类样本的程序均严格遵循赫尔辛基宣言的原则进行。所有参与者在样本采集前都提供了书面知情同意书，所有个人可识别信息都得到了妥善处理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明与本研究工作无关的任何利益冲突。我们声明没有与所提交的工作相关的商业或关联利益。

致谢

本研究得到了吉林省科技部的资助（YDZJ202601ZYTS697）。

刘 Chuanzhi|田 Luyao|杨 Fan|王 Li