癌症的发展是一个复杂的过程，涉及细胞的生物学和物理性质的显著变化。其中，细胞和组织的机械性质在癌症的发生、发展和转移中扮演着关键角色。近年来，随着生物力学技术的进步，研究人员能够更深入地了解这些机械性质的变化及其对癌症进程的影响。
这篇文章是一篇综述文章，标题为《Mechanical properties of human tumour tissues and their implications for cancer development》，发表在《Nature Reviews Physics》2024年4月刊上。文章的核心内容涉及人类肿瘤组织的机械性质及其在癌症发展中的作用。以下是文章的主要内容概述：
背景知识
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机械性质的重要性
：细胞和组织的机械性质决定了它们的结构、组成和功能。这些性质的变化与多种疾病相关，包括癌症。
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机械性质的调节
：细胞和多细胞组织的张力、压缩、粘附、弹性和粘性性质主要通过肌动蛋白-肌球蛋白和微管细胞骨架以及细胞外糖萼的重组来调节，这些过程驱动了许多病理生理过程，包括癌症的进展.
图1 | 细胞骨架和细胞外基质的重塑是癌症导致细胞机械特性改变的一个标志
研究方法
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生物力学技术
：文章介绍了多种用于分析细胞和组织机械性质的技术，包括原子力显微镜（AFM）、微管吸管法（MPA）、光学镊子、微流控实验和牵引力显微镜等。这些技术能够在不同的时间和空间尺度上测量多种机械参数.
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多尺度和多参数分析
：通过这些技术，研究人员能够在多尺度和多参数的条件下分析细胞和组织的机械性质，从而更好地理解癌症组织的复杂机械决定因素.
图2 | 用于在细胞和组织层面量化多种机械性能的力学生物技术
实验结果与关键结论
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细胞和组织的机械性质变化
：研究表明，癌细胞通常比正常细胞更软，这种软化与癌症的侵袭性和转移潜力有关。然而，也有例外，如在某些类型的癌症（如黑色素瘤、胰腺癌和前列腺癌）中，更侵袭性的细胞表现出更高的刚度.
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组织水平的变化
：与正常组织相比，癌症组织通常更硬，这主要是由于细胞外基质（ECM）的显著变化。例如，胰腺癌组织由于其高度的纤维化特性，比正常组织更硬.
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机械性质与癌症进展的关系
：机械性质的变化与癌症的进展密切相关。例如，细胞的张力、粘附力和剪切应力等机械性质的变化会影响细胞的迁移、侵袭和转移能力.
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诊断和治疗的潜在应用
：通过分析细胞和组织的机械性质，可以为癌症的诊断和治疗提供新的视角。例如，通过测量细胞的刚度，可以区分正常细胞和癌细胞，从而实现早期诊断.
图3 | 不同癌症的瘤内微环境结构和机械性能的多样化变化。
观点与展望
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机械生物学的潜力
：文章强调了机械生物学在癌症研究中的潜力，指出通过深入了解细胞和组织的机械性质，可以揭示新的治疗策略，以阻止癌症的进展和转移.
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未来研究方向
：未来的研究需要进一步开发和改进现有的生物力学技术，以提高其空间和时间分辨率，并探索新的方法来解决实验需求中未被探索的科学问题.
Glossary
Actomyosin
Contractile filamentous actin network inside the cell that helps provide shape,motility and force generation for a cell.The actomyosin cytoskeleton consists of filamentous actin, non-muscle myosin II motor proteins and regulatory actin-binding proteins.
Adhesion force
In biological terms, adhesion occurs directly between neighbouring cells via specialized proteins on the cell surface and indirectly via the extracellular matrix, both of which allow cells to communicate with one another and respond to their environment through processes such as signal transduction.In physics terms, adhesion is a type of attractive force that occurs between different objects through mechanical forces and electrostatic interactions.
Cellular tension
The surface force needed to stretch the cell, which is dependent on its plasma membrane lipid composition,extracellular glycocalyx and the contractile forces of the intracellular actin cytoskeleton, all of which must be overcome to deform the cell.
Cytoskeletons
Complex skeletal networks of proteins that provide structure to cells and play a major role in organization, motility and mechanotransduction. Several major components of this system include actin filaments, microtubules and intermediate filaments, which may be the stiffest structures in a cell.
Glycocalyx
An extra-membranous coating rich with glycans and various transmembrane proteins, which typically act as a barrier against the environment.
Intracellular forces
The different types of physical forces that exist within cells to maintain cellular homeostasis and cell-specific normalfunction. The major forces acting within a cell are tensional and compressive forces acting at the surface and cytoskeleton and traction forces at focal adhesions.
