癌症物理学：物理相互作用和机械力在转移中的作用

癌症转移的概述

• 转移过程 ：癌症转移是一个复杂的过程，涉及肿瘤细胞从原发肿瘤中脱离、侵入周围组织、进入血管（内皮化）、在循环系统中存活、附着到远处血管壁、离开血管（外渗）并在新部位形成次级肿瘤。

• 重要性 ：转移是导致超过90%癌症相关死亡的主要原因。

  
  图1. 转移过程

物理相互作用在侵袭中的作用

• 上皮-间质转化（EMT） ：肿瘤细胞从上皮细胞转变为间质细胞，失去E-钙粘蛋白和细胞角蛋白，导致细胞间粘附减少和形态变化。

• 细胞外基质（ECM） ：肿瘤细胞在侵袭过程中与ECM的物理相互作用至关重要。ECM的刚度、纤维排列和交联程度影响细胞的迁移和增殖。

• 基质金属蛋白酶（MMPs） ：肿瘤细胞表面表达的MMPs促进基底膜的降解，帮助细胞从肿瘤微环境中脱离。

  
  图2. 侵入和血管内的物理机制

三维迁移

• 二维与三维迁移的差异 ：在三维ECM中，细胞迁移的模式与二维基底上的迁移不同。三维迁移涉及伪足的形成、细胞核变形和MMPs的局部消化。

• 伪足的作用 ：在三维基质中，细胞通过伪足的形成和收缩力来推动迁移，这些伪足在细胞前后边缘施加相似的力，但释放的不对称性导致细胞持续迁移。

细胞力学在内皮化中的作用

• 细胞变形 ：肿瘤细胞在进入和离开血管时需要经历显著的形状变化，这依赖于细胞骨架的重组。

• 细胞核的刚度 ：细胞核是细胞中最硬的细胞器，其刚度由核纤层和染色质组织决定。核纤层和LINC复合体的突变可能影响细胞的迁移能力。

剪切应力和循环系统

• 剪切应力的影响 ：循环系统中的剪切应力影响循环肿瘤细胞（CTCs）的轨迹、附着和存活。CTCs必须克服剪切力才能附着到血管壁上。

• 血流模式 ：CTCs的捕获和外渗与血流模式密切相关，特别是在小血管和毛细血管中。

循环肿瘤细胞的外渗

• 物理阻塞和粘附 ：CTCs可以通过物理阻塞（机械陷阱）或与血管壁的粘附来停止流动。粘附涉及选择素和其他粘附分子的相互作用。

• 血小板的作用 ：血小板可以通过形成异型粘附簇来保护CTCs免受免疫清除，并促进其附着到血管壁。

  
  图3. 循环肿瘤细胞阻滞
  
  图4. 捕获循环肿瘤细胞

转移部位的位置

• “种子和土壤”假说 ：转移部位的选择与局部微环境的适宜性有关。

• 机械假说 ：转移部位的选择与血流模式有关，CTCs更容易被困在直径小于细胞的血管中。

结论

• 物理和机械过程的重要性 ：物理相互作用和机械力在癌症转移的每个步骤中都起着关键作用。

• 临床应用 ：理解这些物理机制可能有助于开发新的癌症诊断和治疗方法，特别是在药物筛选和治疗靶点的识别方面。

研究工具和技术

• 单分子力谱 ：测量细胞-基质和细胞-细胞粘附。

• 流室实验 ：测量细胞在流动条件下的粘附。

• 原子力显微镜 ：测量细胞和分子力学。

• 微流控设备 ：控制和测量细胞在复杂微环境中的行为。