前言

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

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

原發(fā)性腫瘤的機(jī)械應(yīng)力

細(xì)胞機(jī)械記憶的概念假設(shè)細(xì)胞響應(yīng)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(xì)胞由基質(zhì)硬化引發(fā)，并通過增強(qiáng)增殖、耐藥性、因子的分泌、力的產(chǎn)生、機(jī)械性能的變化和遷移來適應(yīng)，這些生物物理適應(yīng)使腫瘤細(xì)胞能夠克服環(huán)境障礙并在轉(zhuǎn)移過程中存活下來。

基質(zhì)剛性

與健康組織甚至良性腫瘤相比，實(shí)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(biāo)志以及癌癥風(fēng)險，生存率和復(fù)發(fā)的預(yù)測指標(biāo)。TME與其他組織一樣，表現(xiàn)出復(fù)雜的機(jī)械行為，如粘彈性（隨時間的負(fù)載松弛）和機(jī)械塑性（由于負(fù)載而產(chǎn)生的不可逆變形），這已被證明分別影響腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散和遷移。

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

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

固體和流體應(yīng)力

ECM成分和硬度的變化，以及腫瘤生長，通過細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-基質(zhì)相互作用，導(dǎo)致物理力或壓力施加在腫瘤細(xì)胞上，這些由非流體腫瘤成分施加的力稱為固體應(yīng)力�？焖俚哪[瘤細(xì)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(kuò)張。結(jié)果，腫瘤核心中的腫瘤細(xì)胞在所有方向上經(jīng)歷壓縮應(yīng)力，而腫瘤外圍的腫瘤細(xì)胞同時經(jīng)歷向外和向內(nèi)的拉伸和壓縮應(yīng)力。

流體應(yīng)力，或由流體腫瘤成分施加的物理力，源于生長誘導(dǎo)的和周圍組織誘導(dǎo)的固體應(yīng)力，其導(dǎo)致腫瘤內(nèi)和周圍的血液和淋巴管的塌陷或損傷，這會在腫瘤內(nèi)產(chǎn)生升高的間質(zhì)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(dǎo)致離開腫瘤的間質(zhì)液流增加，這在腫瘤周圍的腫瘤細(xì)胞上施加流體剪切應(yīng)力和壓力梯度，從而維持腫瘤細(xì)胞增殖并促進(jìn)遷移和侵襲。

細(xì)胞的生物物理適應(yīng)

固體和液體應(yīng)力可以將機(jī)械記憶施加在腫瘤細(xì)胞上，腫瘤細(xì)胞在原發(fā)性TME中對高基質(zhì)硬度的反應(yīng)中經(jīng)歷生物物理適應(yīng)，并且可能通過機(jī)械記憶來保留以促進(jìn)轉(zhuǎn)移。

增殖

與軟基質(zhì)相比，在較硬的2D基質(zhì)上腫瘤細(xì)胞增殖增強(qiáng)。膠質(zhì)瘤細(xì)胞系在堅硬的2D基質(zhì)上分裂更快，擴(kuò)散更多，這種作用受到整合素β1和粘著斑激酶（FAK）的調(diào)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(xì)胞有更快的增殖，產(chǎn)生更大的腫瘤。

存活率和耐藥性

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

細(xì)胞因子的分泌

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

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

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

力的產(chǎn)生

為了補(bǔ)充其改變的生長和分子因子分泌，腫瘤細(xì)胞相對于正常細(xì)胞進(jìn)一步表現(xiàn)出不規(guī)則的牽引力。從機(jī)制上講，腫瘤細(xì)胞對高ECM硬度的反應(yīng)產(chǎn)生的力是由整合素聚集和通過EGFR的信號傳導(dǎo)驅(qū)動的，EGFR激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2（ERK1/2）并增加RHO–RHO相關(guān)激酶（ROCK）介導(dǎo)的肌動球蛋白收縮性。通過機(jī)械記憶維持增強(qiáng)的力的產(chǎn)生和相關(guān)途徑的激活，它們可能有助于轉(zhuǎn)移，尤其是在遠(yuǎn)處腫瘤細(xì)胞外滲期間。

可變形性

收縮力的改變進(jìn)一步伴隨著細(xì)胞變形能力的變化。一些對乳腺、卵巢、前列腺和膀胱癌癥細(xì)胞系的研究表明，腫瘤細(xì)胞柔軟度隨著轉(zhuǎn)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(xì)胞系中，情況并非如此。事實(shí)上，腫瘤細(xì)胞的柔軟度或硬度對每個腫瘤來說都是獨(dú)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(qū)動因素或轉(zhuǎn)移部位。細(xì)胞在受限空間中遷移時是否軟化可能取決于細(xì)胞極性和遷移軌道的幾何形狀。

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

遷移

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

機(jī)械記憶與表觀遺傳學(xué)

細(xì)胞機(jī)械記憶和持續(xù)的表觀遺傳學(xué)修飾，它們是使腫瘤細(xì)胞即使在擴(kuò)散后也能保留原發(fā)腫瘤中獲得的生物物理適應(yīng)的分子機(jī)制。

腫瘤細(xì)胞通過整合素的激活感受到高基質(zhì)硬度，整合素促進(jìn)細(xì)胞骨架重排，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子、runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）和yes相關(guān)蛋白（YAP）的核轉(zhuǎn)位。這些機(jī)械感應(yīng)和機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制在暴露于堅硬基質(zhì)的幾分鐘到幾小時內(nèi)發(fā)生。

在較長的時間尺度上，機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)可導(dǎo)致表觀遺傳學(xué)變化，包括通過組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）和組蛋白脫乙酰酶（HDACs）進(jìn)行的組蛋白修飾、DNA甲基化和非編碼RNA。如果機(jī)械應(yīng)力的大小和啟動時間足夠（幾天到幾周），表型適應(yīng)將通過持續(xù)表觀遺傳變化編碼的腫瘤細(xì)胞機(jī)械記憶來維持。機(jī)械記憶機(jī)制通過將原發(fā)腫瘤中獲得的腫瘤細(xì)胞生物物理適應(yīng)與驅(qū)動繼發(fā)部位疾病進(jìn)展的適應(yīng)直接聯(lián)系起來，在轉(zhuǎn)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(xì)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(jī)械信號是否通過持續(xù)表觀遺傳學(xué)變化和染色質(zhì)重塑調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移潛能。然而，這一假設(shè)非常合理，因?yàn)門ME中的機(jī)械應(yīng)力被證明可以通過組蛋白修飾誘導(dǎo)非惡性細(xì)胞的致瘤性，并且導(dǎo)致腫瘤發(fā)生的分子途徑也可以賦予腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移特性。此外，與成纖維細(xì)胞或MSCs類似，腫瘤細(xì)胞已顯示出對高基質(zhì)硬度的反應(yīng)形成機(jī)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(jī)械記憶。

轉(zhuǎn)移的生物物理進(jìn)化

遺傳不穩(wěn)定和不受調(diào)控的增殖導(dǎo)致異質(zhì)性原發(fā)性腫瘤細(xì)胞群體。微環(huán)境障礙，如免疫監(jiān)測、缺氧或機(jī)械應(yīng)力，然后選擇表現(xiàn)出特定特征的原發(fā)腫瘤細(xì)胞，使其能夠克服這些障礙并發(fā)生轉(zhuǎn)移過程。因此，腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移特征不僅可以由于遺傳不穩(wěn)定而隨機(jī)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(xì)胞對機(jī)械應(yīng)力的生物物理適應(yīng)，稱之為“生物物理進(jìn)化”。

外滲

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

休眠

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

定植

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

小結(jié)

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

參考文獻(xiàn)：

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

       原文標(biāo)題 : 腫瘤微環(huán)境機(jī)械應(yīng)力與癌癥轉(zhuǎn)移