癌细胞在转移中的机械适应性

癌症最危险的方面在于转移进展。从生物力学的角度来看，癌细胞的生长、侵袭、内渗、循环、停滞/粘附和外渗需要特定的细胞力学特性才能存活并完成转移级联反应。由于转移性细胞比良性细胞更软，因此细胞及其细胞核的高度可变形性被认为为转移潜力提供了显著的优势。然而，目前尚不清楚是否存在一种微调但固定的机械状态，以适应整个级联过程中生存所需的所有机械特征。在法国国家健康与医学研究院和德国马克斯普朗克光科学研究所联合团队的一项研究中，概述了癌细胞在转移中的机械适应性，文章发表在 Developmental Cell杂志。

转移之旅：应对压力和外力

随着肿瘤细胞的转移性进展，它们面临着各种不断变化的外部机械应力，挑战着它们的生存和发展。

在肿瘤生长的早期阶段，细胞暴露于不断增加的压应力水平（图1），分别是由于体内液体在血管内和组织间隙之间的交换失去平衡和微环境推动不断增大的肿瘤体积。压应力增加是由于肿瘤体积扩大及其基质重塑过程中硬化的微环境共同作用，这发生在乳腺癌或胰腺癌等几种肿瘤类型中。由于肿瘤体积扩大，压应力增加和ECM硬化，肿瘤组织通常比正常组织更硬。除了压应力外，封闭的原发性肿瘤环境也会导致集体癌细胞侵袭而不是单细胞侵袭。这种效应可能推动侵袭性的、即将成为循环肿瘤细胞群（CTCs）的内渗，与单个 CTCs相比，其转移潜力增加了 50 倍。有趣的是，已经发现肿瘤细胞群在某些模型中表达角蛋白-14（CK14），与经历上皮到间充质转化（EMT）的肿瘤细胞相比，这可能与硬度增加有关。肿瘤细胞聚集对肿瘤细胞机械性能和机械适应性的影响目前仍不明晰，本文也将简要推测。

癌细胞不仅在原发性肿瘤环境中暴露于机械应力，而且在内渗后也非常显著，因为它们在血液中行进并通过转移级联的血管内步骤进入循环系统。一旦它们在血液中（或在淋巴管内）循环，肿瘤细胞就会受到来自血流动力和收缩血管的完全不同的机械应力（图1）。如果要成功完成转移级联，CTCs必须应对这些压力。例如，高水平的流体剪切应力（> 1 Pa）已被证明可以诱导细胞周期停滞，甚至在肿瘤细胞循环时破坏肿瘤细胞。最后，只有少数CTCs能够摆脱流体剪切应力的影响，并有机会捕获和粘附内皮。值得注意的是，CTCs群也被证明可以穿过毛细血管大小的血管，这可能会提供额外的保护。

肿瘤细胞在转移级联的这些连续阶段遇到的所有机械应力都明确地影响了它们的内部机械状态。通过微调其机械性能，肿瘤细胞可以适应在每一步威胁转移进展的各种机械应力。特别是，它们自身可调节的机械表型可能是应对此处讨论的应力的关键。虽然这很可能会发生，但目前有限的证据表明，肿瘤细胞在通过转移级联的进展过程中接受特定的机械或其他线索时会改变其机械特征。

图1 肿瘤细胞硬度在整个转移级联中的作用的推测性观察。
侵袭、迁移、内渗、循环、阻滞、粘附和外渗都以不同的方式挑战肿瘤细胞的机械特性，并有利于不同的机械表型。

细胞力学和转移

肿瘤细胞力学在转移过程中的作用，其过程的每一步，可能被忽视了，而且比乍一看更复杂。下面依次介绍了转移级联的步骤，并推测肿瘤细胞力学如何在每个步骤中发挥作用，解决肿瘤细胞在转移过程中经历的众多环境变化。在分析时，该研究也挑战了过度简化的观点，即侵袭性转移细胞必须是软肿瘤细胞。

从早期侵袭步骤开始，可以假设，在原发性肿瘤环境中承受压应力水平增加的上皮细胞中，更硬，更不易变形的肿瘤细胞将首先被挤出上皮。在之前的一项研究中，发现胶质母细胞瘤细胞的侵袭潜力与细胞硬度相关。然而，侵入的肿瘤细胞更柔软的观点目前似乎更为普遍。更重要的是，EMT程序还会导致细胞形状改变的软肿瘤细胞离开原发肿瘤部位。大多数迹象表明可变形性是侵袭步骤的关键，但这种机械表型是否更像是侵袭的先决条件或结果尚不完全清楚。有趣的是，最近的研究表明，例如，肿瘤细胞在受限迁移过程中软化，这进一步表明肿瘤细胞可以自适应地调整其机械表型。

肿瘤细胞离开原发肿瘤后需要完成的下一个任务是通过组织进行3D迁移。最可能准确地说法是，肿瘤细胞将受益于更软的细胞核，以便通过限制性孔进行迁移。较软的细胞核也可能更容易受到机械挑战和损伤，这反过来可以增强肿瘤细胞的侵袭性。然而，通过ECM的迁移过程很复杂，并且取决于许多机械和非机械参数。蛋白水解的机制可以有利于迁移并帮助克服僵硬细胞核的缺点，ECM重塑过程中的纤维重新排列以及肿瘤细胞与基质细胞的相互作用是可能减少机械损伤的其他机制。此外，已知集体迁移的肿瘤细胞表达角蛋白-14，这暗示了集体迁移减轻了与可变形性相关的机械性能的需求。然而，这是推测性的，现阶段仍不清楚。

接下来是内渗中跨内皮迁移的第一步。从非常抽象的细胞力学角度来看，内渗和外渗可以一起讨论，因为这两个过程都涉及类似的机械挑战：物体必须变形才能穿过薄层中的小孔。当然，这种情况如何发生的生物学细节也存在许多差异。在正常情况下，两者都被认为是两步过程，在肿瘤细胞除了能够挤入内皮细胞之间进入/退出循环之前，除了穿过基底膜外，肿瘤细胞和内皮细胞之间的相互作用（粘附）是必需的。这些过程可以是主动的，也可以是被动的，似乎涉及剧烈的细胞变形。这样的过程使得内渗/外渗所需的肿瘤细胞机械特性的鉴定变得繁琐，因为目前尚不清楚细胞进入和退出循环时这些特性是什么。

对于转移级联，高刚度和低刚度似乎都为CTCs提供了显著的优势。 CTCs暴露于流体剪切应力（FSS），同样的，也会受益于快速阻滞，粘附和外渗，限制其被破坏的风险。在这里，重要的是，尽管尚未证明，但在级联的这些血管内步骤中，CTCs的聚集可能会对肿瘤细胞的机械需求产生影响，因为聚集可以提供针对剪切应力的机械保护。剪切应力存活并不是CTCs转运的唯一方面，其中肿瘤细胞的内在机械性能发挥作用，因为它们的最终停滞目的地也可能取决于它们的刚度水平。

总之，越来越明显的是，肿瘤细胞力学在转移中的作用不能简单地归结为转移侵袭性随变形能力的增加而增加。成功完成转移级联所有步骤的理想机械性能可以具有极其微妙的范围，也可以在不同步骤之间有很大差异，后一种选择更有可能。一些成功转移的途径可能比其他的更容易。例如，与动脉相比，静脉中的剪切应力较低，与通过级联的单细胞进展相比，集体迁移/传播更具有优势，因此，具有不同机械适应性的肿瘤细胞能够顺利完成转移过程。然而，肿瘤细胞无法选择这些更简单的途径，因此可能需要感知其环境并动态微调其机械性能（图2）。无论如何，似乎达到适当水平的肿瘤细胞硬度将是非常具有挑战性的。

图2 推测肿瘤细胞硬度在成功或不成功转移途径中的作用。
肿瘤细胞很可能能够根据它们所遇到的环境中连续受到的机械应力来调整它们的机械特性。

虽然目前承认肿瘤细胞（几乎完全在体外培养后测量）通常可以被认为是更软的，但需要考虑更多参数以充分了解肿瘤细胞硬度如何影响转移过程。例如，肿瘤细胞的机械特性可以发挥作用的不同时间长度的复杂性很少得到解决。弹性细胞在与物体碰撞时能够瞬间和可逆地变形，其机械特性与细胞在较长时间内逐渐通过收缩血管的机械特性截然不同（图3）。因此，弹性和粘度的各自贡献需要在转移级联的步骤中更好地剖析。另一个仍然知之甚少的方面是肿瘤细胞硬度变化的动力学。虽然越来越明显的是肿瘤细胞能够感知其环境并相应地调整其硬度，但转移级联的每一步的理想机械性能，以及肿瘤细胞必须达到这些理想状态的手段，仍有待于在转移过程的许多步骤中确定。

未来的研究领域应该强调在相关动物模型和患者来源的样本中测量和调整整个转移级联中肿瘤细胞的机械表型。使用创新和灵活的生物物理和成像工具仔细量化在这些不同步骤中施加在肿瘤细胞上的机械应力将有助于实现这一目标。总之，成功转移细胞的关键机械特征最终可能是动态获得转移过程中每一步所需的机械特性的能力，无论这些特性是什么。一旦我们清楚地确定了起作用的分子机制，靶向它们的新疗法可能最终被证明在对抗转移的斗争中是有效的。

图3 弹性和粘度在不同时间尺度上影响肿瘤细胞力学。
弹性在非常短的时间内发挥作用，而粘度在细胞受到长时间挑战时起作用。

参考文献：Gensbittel V, Kräter M, Harlepp S, Busnelli I, Guck J, Goetz JG. Mechanical Adaptability of Tumor Cells in Metastasis. Dev Cell. 2021 Jan 25;56(2):164-179. doi: 10.1016/j.devcel.2020.10.011. Epub 2020 Nov 24. PMID: 33238151.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33238151/

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