前言

癌癥轉移導致大多數(shù)與癌癥相關的死亡，而抑制轉移是一個長期且重要的臨床目標。然而，專門針對轉移過程的治療仍未能提高患者的生存率，因為原發(fā)腫瘤細胞誘導轉移性疾病的機制仍然難以捉摸。僅僅關注癌癥基因特征則忽略了一個事實，即轉移從根本上是一個機械過程，需要特定的細胞生物物理特性。

基于此，人們提出了一種新的機制，即“細胞機械記憶”。實體瘤的發(fā)展通常與異常的細胞外基質（ECM）沉積和原發(fā)性腫瘤微環(huán)境（TME）的重塑有關，這增加了腫瘤細胞感知的機械應力。腫瘤細胞在轉移過程中存活的能力通過原發(fā)腫瘤微環(huán)境中的機械應力來增強，這些微環(huán)境選擇了適應良好的細胞。因此，有利于轉移的生物物理適應是通過機械記憶保留的，記憶的程度受到機械應力的大小和持續(xù)時間的影響。破譯腫瘤細胞機械記憶機制將是發(fā)現(xiàn)新的抗轉移藥物的關鍵。

原發(fā)性腫瘤的機械應力

細胞機械記憶的概念假設細胞響應于特定的物理微環(huán)境而改變其表型，并且即使在撤回原始物理刺激并暴露于新的微環(huán)境后，這種表型也會保持。原發(fā)性腫瘤細胞由基質硬化引發(fā)，并通過增強增殖、耐藥性、因子的分泌、力的產生、機械性能的變化和遷移來適應，這些生物物理適應使腫瘤細胞能夠克服環(huán)境障礙并在轉移過程中存活下來。

基質剛性

與健康組織甚至良性腫瘤相比，實體惡性腫瘤表現(xiàn)出更高的硬度，如乳腺癌、胰腺癌、肝癌和前列腺癌，這一特征可作為診斷標志以及癌癥風險，生存率和復發(fā)的預測指標。TME與其他組織一樣，表現(xiàn)出復雜的機械行為，如粘彈性（隨時間的負載松弛）和機械塑性（由于負載而產生的不可逆變形），這已被證明分別影響腫瘤細胞的擴散和遷移。

TME機械性能的變化是由腫瘤細胞或活化的基質細胞重塑ECM引起的。這些基質細胞通常分泌TGF-β，導致ECM成分如膠原蛋白、纖連蛋白和透明質酸的過度沉積和交聯(lián)。ECM沉積和交聯(lián)的增加共同導致ECM硬度升高，從而影響腫瘤細胞表型。硬度增加也會激活成纖維細胞并促進α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）陽性肌成纖維細胞表型。這產生了一個正反饋回路，通過該回路增加的肌成纖維細胞激活刺激ECM的產生、ECM交聯(lián)和肌成纖維體收縮性，從而促進進一步硬化。

ECM的組成和硬度會影響免疫細胞，富含膠原蛋白的堅硬ECM會損害T細胞的浸潤并降低其細胞毒性。此外，基質硬化降低了血管生長和完整性，并且通過Rho途徑的內皮細胞機械感知的改變，導致TME中功能失調的血管系統(tǒng)。

固體和流體應力

ECM成分和硬度的變化，以及腫瘤生長，通過細胞-細胞和細胞-基質相互作用，導致物理力或壓力施加在腫瘤細胞上，這些由非流體腫瘤成分施加的力稱為固體應力�？焖俚哪[瘤細胞增殖使TME緊張，而膨脹的更硬的腫瘤推動和移位周圍的正常組織，這反過來又限制了腫瘤的擴張。結果，腫瘤核心中的腫瘤細胞在所有方向上經歷壓縮應力，而腫瘤外圍的腫瘤細胞同時經歷向外和向內的拉伸和壓縮應力。

流體應力，或由流體腫瘤成分施加的物理力，源于生長誘導的和周圍組織誘導的固體應力，其導致腫瘤內和周圍的血液和淋巴管的塌陷或損傷，這會在腫瘤內產生升高的間質液壓（IFP）。IFP在腫瘤核心是均勻的，在2 毫米汞柱（0.3 kPa）和29 毫米汞柱（3.9 kPa）之間，在外周組織降至約0毫米汞柱。這種IFP梯度導致離開腫瘤的間質液流增加，這在腫瘤周圍的腫瘤細胞上施加流體剪切應力和壓力梯度，從而維持腫瘤細胞增殖并促進遷移和侵襲。

細胞的生物物理適應

固體和液體應力可以將機械記憶施加在腫瘤細胞上，腫瘤細胞在原發(fā)性TME中對高基質硬度的反應中經歷生物物理適應，并且可能通過機械記憶來保留以促進轉移。

增殖

與軟基質相比，在較硬的2D基質上腫瘤細胞增殖增強。膠質瘤細胞系在堅硬的2D基質上分裂更快，擴散更多，這種作用受到整合素β1和粘著斑激酶（FAK）的調節(jié)。在乳腺脂肪墊纖維化的小鼠模型中，與對照組相比，原位注射的乳腺腫瘤細胞有更快的增殖，產生更大的腫瘤。

存活率和耐藥性

除了增強細胞周期程序和增殖外，高基質硬度還促進抗凋亡能力，有助于增加腫瘤細胞存活率和耐藥性。肝細胞癌細胞系（Huh7和HepG2）不僅在堅硬的2D合成凝膠上表現(xiàn)出增強的增殖，還減少了對順鉑治療的細胞凋亡。

細胞因子的分泌

為了進一步促進更有利于腫瘤生長和逃避治療的微環(huán)境，腫瘤細胞可以適應性地分泌各種因子來改變基質、內皮和免疫細胞表型。基質金屬蛋白酶（MMPs）降解ECM蛋白，促進腫瘤生長和侵襲，就是一個關鍵的例子。暴露于較硬的2D膠原基質在胰腺癌細胞系Panc-1中增加了MMP活性。在2D聚丙烯酰胺凝膠上，人類結直腸癌細胞（T84細胞系）增加了MMP7的表達，以響應更高的基質硬度。

基質硬度的增加還通過涉及內皮細胞MMP活性的機械敏感性途徑直接進一步促進血管生成。此外，高基質硬度可以通過腫瘤細胞分泌血管內皮生長因子（VEGF）等促血管生成因子間接調節(jié)血管生成，從而影響內皮細胞的行為。

腫瘤細胞還可以分泌細胞因子，募集免疫細胞以應對高基質硬度。在人類乳腺腫瘤中，侵襲前沿巨噬細胞數(shù)量最多，那里的基質最硬，TGF-β信號傳導最高。類似地，小鼠乳腺腫瘤中的高膠原密度誘導高環(huán)氧合酶-2（COX2）表達和高水平分泌的細胞因子，從而增加巨噬細胞和中性粒細胞的募集。

力的產生

為了補充其改變的生長和分子因子分泌，腫瘤細胞相對于正常細胞進一步表現(xiàn)出不規(guī)則的牽引力。從機制上講，腫瘤細胞對高ECM硬度的反應產生的力是由整合素聚集和通過EGFR的信號傳導驅動的，EGFR激活細胞外信號調節(jié)激酶1/2（ERK1/2）并增加RHO–RHO相關激酶（ROCK）介導的肌動球蛋白收縮性。通過機械記憶維持增強的力的產生和相關途徑的激活，它們可能有助于轉移，尤其是在遠處腫瘤細胞外滲期間。

可變形性

收縮力的改變進一步伴隨著細胞變形能力的變化。一些對乳腺、卵巢、前列腺和膀胱癌癥細胞系的研究表明，腫瘤細胞柔軟度隨著轉移潛力的增加而增加。但其他研究也發(fā)現(xiàn)，在前列腺、皮膚和腎臟癌癥細胞系中，情況并非如此。事實上，腫瘤細胞的柔軟度或硬度對每個腫瘤來說都是獨特的，并且可能取決于許多因素，如起源組織、空間定位、致癌驅動因素或轉移部位。細胞在受限空間中遷移時是否軟化可能取決于細胞極性和遷移軌道的幾何形狀。

此外，轉移潛能和腫瘤細胞變形能力之間的關系取決于基質硬度。幾項研究表明，與非侵襲性腫瘤細胞或正常細胞相比，侵襲性腫瘤細胞可以調節(jié)其機械特性以響應ECM硬度。值得注意的是，一些侵襲性腫瘤細胞因ECM硬度升高而變得更硬，如MDA-MB-231、KPR172HC和PC3細胞系；而另一些則變得更軟，如ACHN、4T1和SW620細胞系。通過機械記憶在原代TME中獲得的強細胞機械特性的保留可以幫助腫瘤細胞抵抗轉移過程中遇到的各種機械應力。

遷移

基質硬度和腫瘤細胞遷移之間的關系與腫瘤細胞的轉移潛力有關。高度侵襲性口腔鱗狀細胞癌細胞系（SCC25）在較硬的基質上集體和單獨遷移更快，而侵襲性較小的細胞系（Cal27）對底物硬度不敏感。事實上，基質硬度和由此產生的作用于細胞核的力促進了參與EMT過程的轉錄因子的易位，這些轉錄因子在腫瘤細胞傳播中起著關鍵作用。

機械記憶與表觀遺傳學

細胞機械記憶和持續(xù)的表觀遺傳學修飾，它們是使腫瘤細胞即使在擴散后也能保留原發(fā)腫瘤中獲得的生物物理適應的分子機制。

腫瘤細胞通過整合素的激活感受到高基質硬度，整合素促進細胞骨架重排，進而促進機械轉導轉錄因子、runt相關轉錄因子2（RUNX2）和yes相關蛋白（YAP）的核轉位。這些機械感應和機械轉導機制在暴露于堅硬基質的幾分鐘到幾小時內發(fā)生。

在較長的時間尺度上，機械轉導可導致表觀遺傳學變化，包括通過組蛋白乙酰轉移酶（HATs）和組蛋白脫乙酰酶（HDACs）進行的組蛋白修飾、DNA甲基化和非編碼RNA。如果機械應力的大小和啟動時間足夠（幾天到幾周），表型適應將通過持續(xù)表觀遺傳變化編碼的腫瘤細胞機械記憶來維持。機械記憶機制通過將原發(fā)腫瘤中獲得的腫瘤細胞生物物理適應與驅動繼發(fā)部位疾病進展的適應直接聯(lián)系起來，在轉移過程中發(fā)揮著基本作用。

目前的研究主要集中于非癌細胞中的持續(xù)表觀遺傳變化，尚不清楚原發(fā)性TME中存在的機械信號是否通過持續(xù)表觀遺傳學變化和染色質重塑調節(jié)癌細胞的轉移潛能。然而，這一假設非常合理，因為TME中的機械應力被證明可以通過組蛋白修飾誘導非惡性細胞的致瘤性，并且導致腫瘤發(fā)生的分子途徑也可以賦予腫瘤細胞轉移特性。此外，與成纖維細胞或MSCs類似，腫瘤細胞已顯示出對高基質硬度的反應形成機械記憶。因此，它們很可能通過持續(xù)的表觀遺傳變化來保持長期的機械記憶。

轉移的生物物理進化

遺傳不穩(wěn)定和不受調控的增殖導致異質性原發(fā)性腫瘤細胞群體。微環(huán)境障礙，如免疫監(jiān)測、缺氧或機械應力，然后選擇表現(xiàn)出特定特征的原發(fā)腫瘤細胞，使其能夠克服這些障礙并發(fā)生轉移過程。因此，腫瘤細胞的轉移特征不僅可以由于遺傳不穩(wěn)定而隨機發(fā)生，還可以通過獲得持續(xù)的表觀遺傳變化而出現(xiàn)，從而引起細胞對機械應力的生物物理適應，稱之為“生物物理進化”。

外滲

在原發(fā)性腫瘤中獲得的生物物理適應中，有幾種是通過腫瘤細胞的機械記憶保留的，并且可以增強循環(huán)腫瘤細胞在繼發(fā)部位的外滲。腫瘤細胞通過后部皮層收縮產生增加的細胞內壓力，以促進細胞核收縮通過如基質孔和內皮細胞之間的細胞間隙。在外滲時，還需要整合素β1的參與。此外，通過腫瘤細胞分泌血管生成因子和MMPs重塑血管系統(tǒng)，進一步促進外滲。

休眠

在原發(fā)腫瘤中獲得并通過機械記憶保留的腫瘤細胞生物物理適應也可以調節(jié)繼發(fā)部位的細胞休眠。到達遠處器官的腫瘤細胞由于未能與整合素β1結合并激活FAK，以及次要部位的不利的生化和機械環(huán)境而處于休眠狀態(tài)。通過機械記憶保留可能會阻止腫瘤細胞在到達轉移部位時首先進入休眠狀態(tài)。

定植

在原發(fā)TME中機械誘導并通過機械記憶保留的生物物理適應也會影響遠處器官的定植。腫瘤細胞對原發(fā)性TME中基質硬度升高的反應增強了其存活率、干性和增殖。在轉移后，增加的癌癥干性可以賦予腫瘤細胞重新啟動腫瘤生長的能力；此外，保留增強的生存表型可以幫助腫瘤細胞耐受次級器官的惡劣微環(huán)境；最后，機械誘導的各種可溶性因子的分泌可能促進轉移定植。

小結

TME的特征包括各種苛刻的機械應力，包括增加的基質剛度以及固體和流體應力。針對這些機械應力獲得的腫瘤細胞生物物理適應已在原發(fā)性腫瘤中得到廣泛研究。適應原發(fā)性腫瘤中機械應力的腫瘤細胞可以增加它們的適應度；機械應力的大小和持續(xù)時間過機械記憶保留改變了所選細胞的表型；此外，生物物理適應在整個轉移過程中保持不變，并影響腫瘤細胞外滲、休眠和在遠處定植。因此，進一步深入了解機械記憶在轉移中的作用將是設計新型抗轉移藥物和提高患者生存率的關鍵。

參考文獻：

1.Linkingcell mechanical memory and cancer metastasis. Nat Rev Cancer.2024 Jan 18.

       原文標題 : 腫瘤微環(huán)境機械應力與癌癥轉移