《Communications Biology》：Interpreting tissue stiffening with lung tumorigenesis by imaging architectural resembling of extracellular matrix components
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为解决细胞外基质（ECM）重塑、特别是弹性蛋白和胶原纤维间的相互作用及其与肿瘤发生过程中组织硬度变化的关系尚不明确的问题，研究人员利用无标记多光子显微成像技术，开展了肺肿瘤发生过程中ECM结构与组织硬化关系的研究。他们建立了一种名为“相似性度量”（RM）的定量指标，用于表征弹性蛋白与胶原纤维的形态结构分布相似性。研究发现RM值随肺肿瘤发生而升高，在离体定量成像中显示出优越的肺癌识别敏感性。纳米压痕结果表明，组织硬度与通道间（即纤维间）相互作用的相关性，强于硬度与任一单一纤维类型形态结构特征的相关性。最后，研究人员通过在携带人肺癌的小鼠模型中进行体内成像，实现了基于RM的肿瘤边界鉴定，展示了该技术的转化潜力。这项研究揭示了ECM纤维相互作用在肿瘤相关组织硬化中的关键作用，为肺癌的早期检测和边界界定提供了新的成像生物标志物和方法。
肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因，其发生发展伴随着一系列复杂的生理异常。其中，细胞外基质的重塑日益受到关注。细胞外基质是围绕和支持细胞的复杂网络，主要由弹性蛋白和胶原蛋白等纤维组成，它为组织提供结构完整性和机械强度。研究表明，在包括肺癌在内的多种实体瘤中，细胞外基质会发生显著的重塑，这种重塑被认为是肿瘤发生的一个标志。这种重塑不仅改变了组织的微环境，也影响了肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移。特别地，肿瘤组织通常比正常组织更“硬”，这种现象称为组织硬化。然而，这种硬化的背后机制，尤其是细胞外基质中两个关键成分——弹性蛋白纤维和胶原纤维——各自如何变化，以及它们之间如何“互动”共同导致组织变硬，目前仍不清楚。传统的组织学方法往往需要染色，可能破坏样本的自然状态，且难以对两种纤维的精细三维结构及其空间关系进行无标记、定量化的分析。理解弹性蛋白与胶原纤维在肺癌进展中的协同作用，对于阐明肿瘤微环境的生物力学特性、开发新的诊断方法至关重要。为了回答这些问题，一组研究人员在《Communications Biology》上发表了一项研究，他们开发了一套定量的多光子显微成像系统，旨在阐明肺癌中组织硬化与弹性蛋白-胶原相互作用之间的关系。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：1. 无标记多光子显微成像：利用该技术对肺组织样本中的弹性蛋白和胶原纤维进行非侵入性的三维成像，无需外源性染色，从而获取其固有的形态结构信息。2. 相似性度量定量分析：基于获取的双通道（弹性蛋白和胶原）图像，建立并计算一种名为“相似性度量”的量化指标，用以表征两种纤维在形态和结构分布上的相似程度。3. 纳米压痕力学测试：对组织样本进行纳米压痕实验，定量测量局部组织的弹性模量，即硬度。4. 离体人肺组织样本成像与验证：使用人肺癌手术切除样本和癌旁正常组织进行成像和RM值分析，以评估其诊断潜力。5. 小鼠肺癌模型体内成像：在携带人肺癌的小鼠模型中，运用多光子内窥镜进行活体成像，以演示RM在肿瘤边界识别中的应用潜力。
研究人员首先建立了基于无标记多光子成像的弹性蛋白和胶原纤维同步可视化方法。通过特定波长的激发，他们成功分离了两种纤维的信号，获得了高对比度、高分辨率的图像。基于这些图像，他们定义了“相似性度量”这一创新参数。RM的计算核心在于比较从弹性蛋白通道和胶原通道图像中提取的局部形态结构特征（如曲率、方向性等）的分布。RM值越高，意味着在同一个空间位置上，弹性蛋白和胶原纤维的形态和结构越相似。他们将此方法应用于分析从早期到晚期不同阶段的肺肿瘤小鼠模型组织。研究结果一：RM值在肺肿瘤发生过程中升高。分析显示，随着肿瘤的进展，RM值显著增加。这表明在肿瘤微环境中，弹性蛋白和胶原纤维的分布和结构变得更加“相似”或“协调”，而不是各自独立变化。研究结果二：RM在识别人类肺癌中表现出高灵敏度。为了验证RM的临床相关性，研究团队对来自患者的离体肺组织样本（包括肺癌组织和邻近正常组织）进行了成像分析。结果发现，癌组织的RM值显著高于正常组织。通过接收者操作特征曲线分析，证明RM在区分癌与非癌组织方面具有优异的诊断性能，其灵敏度高于仅基于单一纤维形态特征（如胶原纤维排列）的指标。研究结果三：组织硬度与纤维间相互作用（RM）强相关。为了探究RM的生物学意义，研究人员对组织样本进行了纳米压痕测试，定量测量了局部硬度。相关性分析揭示了一个关键发现：组织硬度与RM值之间存在强烈的正相关性。更重要的是，这种相关性强度超过了硬度与任何单一纤维类型（无论是弹性蛋白还是胶原）的任何单一形态结构特征（如纤维密度、排列或直径）之间的相关性。这强烈提示，是弹性蛋白和胶原纤维之间的相互作用（由RM量化），而非其中任何一种纤维的独立变化，是驱动肿瘤相关组织硬化的主要因素。研究结果四：基于RM的成像可用于体内肿瘤边界识别。最后，研究展示了该技术的转化潜力。利用多光子内窥镜，他们对活体小鼠模型中的肿瘤区域进行了体内成像，并计算了RM图。结果显示，RM图能够清晰地勾画出肿瘤与正常组织之间的边界，与组织学确认的边界高度一致。这证明了基于RM的成像在手术中实时界定肿瘤边缘的潜在应用价值。
该研究的结论和讨论部分强调了以下几点重要意义。首先，研究揭示了细胞外基质重塑在肿瘤进展中的一个新维度：关键纤维成分间的相互作用。传统研究多关注单一组分的变化，而本研究首次定量化地表明，弹性蛋白和胶原纤维在形态结构上变得“相似”的协同变化过程，是肺癌组织硬化的核心机制。其次，研究提出并验证的“相似性度量”是一个强有力的新型成像生物标志物。它超越了传统单一参数，整合了双通道信息，因此在肺癌检测中展现出更高的灵敏度，为早期诊断提供了新工具。再者，研究建立了从微观纤维相互作用到宏观组织力学特性的直接联系，深化了对肿瘤微环境生物力学的理解。最后，该工作展示了从基础发现到临床应用的完整路径。从机制探索（RM与硬化的关系）到诊断验证（人离体样本的高灵敏度），再到应用演示（小鼠体内肿瘤边界识别），为未来开发基于多光子成像和RM分析的术中导航或早期筛查技术奠定了坚实基础。总之，这项工作通过创新的成像和量化方法，阐明了细胞外基质成分间协同重塑在肿瘤相关组织硬化中的关键作用，并为肺癌的精准检测和治疗评估开辟了新的途径。
