Tranilast

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41388-023-02844-x 来自肿瘤学物理科学领域的研究证据日益表明，肿瘤生物物理微环境与遗传调控之间的相互作用对肿瘤进展具有重要影响。尤其是，肿瘤细胞及其相关的基质细胞不仅会改变自身的细胞骨架结构和物理特性，还会主动重塑周围微环境，使其呈现出异常的物理属性。上述变化共同构成了肿瘤组织及其组成成分中异常的力学组学特征，这些改变从根本上重塑了肿瘤细胞和基质细胞中的机械信号转导模式，并在TME中激活致癌信号通路，从而促进肿瘤的发生与进展。然而，目前关于肿瘤生物物理学的研究结果仍然有限，且在不同研究背景下呈现出零散性和一定程度的相互矛盾性。对于生物物理信号如何影响肿瘤病理生理过程的系统性认识仍然缺乏。本综述系统讨论了近年来在肿瘤生物物理学领域中形成的不同研究观点，这些观点源于多尺度力学生物学研究以及一系列前沿技术的发展。相关研究覆盖了从分子和细胞层面到整体组织层面的多个尺度，并揭示了机械信号转导与致癌信号通路之间的功能性交叉调控。本文进一步强调了这些异常物理特征作为癌症机械医学（mechanomedicine）新型治疗靶点的潜在价值。该理论框架有助于调和该领域中存在的不同甚至对立的观点，为未来癌症研究提出新的发展方向，并构建了一种全新的机械医学研究图景，以期克服传统癌症诊断与治疗策略中固有的局限性。 引言 癌症占全球所有死亡人数的12.6%，其中90%的癌症相关死亡归因于转移：即肿瘤细胞从原发性肿瘤病灶扩散到其他器官。因此，识别原发肿瘤和转移瘤形成及进展中的关键调控因子，对于癌症的预防、预测、早期诊断和治疗至关重要。过去几十年见证了肿瘤细胞与其微环境在原发性肿瘤和转移过程中的相互作用日益显著。其中涉及的生物化学和遗传信号已得到深入研究。除了这些化学-遗传因素外，新的证据清楚地表明，源自肿瘤细胞、组织和微环境生物物理特性改变的机械信号也极大地促进了这种动态相互作用，并最终影响肿瘤的生长和进展。 现有关于肿瘤生物物理学的发现有限，且由于技术性等多种原因存在差异，有时甚至相互矛盾，限制了我们对于生物物理学在肿瘤病理生理学中作用的系统性理解。此外，生物物理机制，尤其是机械转导信号及其与经典致癌通路的串扰，仍然知之甚少。关于肿瘤力学生物学的许多发现已在几篇优秀综述中讨论过。然而，很少有综述能够（1）分析“看似矛盾”的发现，（2）讨论新兴的机械医学作为改变未来癌症治疗的可能途径。因此，我们对文献进行了全面客观的回顾，旨在澄清和调和该领域的矛盾发现，并梳理出癌症治疗的新方向。首先，我们讨论了原发性肿瘤组织和瘤巢内细胞改变的机械组学。其次，我们探讨机械转导与致癌信号之间的功能性串扰。第三，我们重点介绍了多尺度技术在研究癌症力学生物学和机械医学方面的最新进展，这些技术具有作为有前景的抗癌策略的潜力。最后，我们对这些相互协调的假设进行了总结，并对肿瘤力学生物学和力学治疗学的未来发展方向提出了新的见解。 图1：原发性肿瘤的生物物理改变。 肿瘤组织（A）与正常组织（B）的横截面示意图展示。肿瘤组织内的细胞承受来自结构性组分以及IFP所产生的固体机械应力。图（A）和（B）的左上四分之一展示了实体应力分布，左下四分之一展示了IFP分布。与正常组织相比，肿瘤组织具有更高且呈梯度分布的实体应力（从肿瘤核心向肿瘤边缘逐渐降低），同时IFP也显著升高。中等水平的实体应力（4-15 mmHg）可促进肿瘤细胞迁移能力，而当实体应力高于37 mmHg时则会诱导肿瘤细胞发生凋亡。图（A）和（B）的右半部分展示了微环境中构成细胞类型及其所受的机械/化学刺激。与正常细胞相比，肿瘤细胞表现出异常的形态和无序的组织结构。肿瘤中的ECM更为坚硬、致密、交联程度更高，且其排列方向更趋向于垂直于肿瘤边界，而正常组织中的ECM则相对疏松且呈各向同性分布。ECM的这些改变促进了肿瘤的发生、侵袭、迁移和转移，并诱导CAFs的激活。肿瘤组织中较高的组织间液剪切流进一步增强了肿瘤细胞的侵袭性和运动能力。肿瘤细胞能够逃避凋亡，而正常细胞则无法实现这一适应。肿瘤中的血管呈现树枝状且高度渗漏的异常结构，由于肿瘤核心区域的高度空间限制，血管通常仅能延伸至肿瘤边缘。这些异常血管结构导致肿瘤组织出现缺氧状态，并形成异常的细胞外pH（extracellular pH, pHe）梯度，从而诱发肿瘤细胞坏死。相比之下，正常组织中的血管能够充分贯穿组织，维持正常的氧供水平和pHe环境。 肿瘤生长中的力学 原发肿瘤组织的力学改变 肿瘤组织力学。实体肿瘤及其相关的肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）由肿瘤细胞和多种基质成分共同构成，其中包括细胞外基质（extracellular matrix，ECM）、基底膜（basement membrane，BM）、血管系统、免疫细胞以及成纤维细胞（图 1A）。在肿瘤进展过程中，所有组分都会改变其物理结构和功能。除少数例外，许多癌症类型的原发性肿瘤通常比其起源的健康组织在机械上更刚性（图1B和2A）。例如，人乳腺癌组织的硬度是健康组织的5倍，并且这种高硬度与恶性肿瘤呈正相关。小鼠乳腺肿瘤组织的硬度是健康乳腺组织的24倍。人肝组织硬度与肝细胞癌风险呈正相关，截断值为20 kPa。除了整体硬化外，肿瘤组织的另一个显著机械特征是瘤内硬度的异质性。超声弹性成像（ultrasound elastography, USE）测量显示，乳腺和肝脏肿瘤中组织硬度的空间变异相当大。在人乳腺肿瘤活检组织中，肿瘤外围的硬度（E = 5.51 ± 1.70 kPa）约为肿瘤核心（E = 0.74 ± 0.26 kPa）的7倍，而健康乳腺组织的硬度为1.13-1.83 kPa。除了硬度，肿瘤组织的粘弹性也与正常组织不同。例如，磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography，MRE)的体内测量显示，人良性脑膜瘤组织的流动性是侵袭性胶质母细胞瘤组织的3.6倍。胶质母细胞瘤的这种类固体行为促进了其侵袭性穿透周围组织。 肿瘤组织硬度的升高主要是由于ECM的过度沉积和交联增强，尤其是胶原蛋白（图 2B）。肿瘤组织和基质细胞不断重塑的TME，通过激活一系列细胞内和细胞外分子受体和信号通路，如整合素、PIEZO 1/2和Rho/ROCK，为调节这些细胞的基因表达和功能提供了物理化学信号。这些受体感知并将细胞外生物物理信号转导至细胞核，随后传递细胞内反馈以重塑细胞外TME。ECM的组成、硬度和结构决定了其在肿瘤进展中的调控作用。ECM由纤维蛋白、糖蛋白、蛋白聚糖和多糖组成。多种ECM蛋白的高表达与多种癌症类型的不良预后相关。ECM酶的异常表达，例如调节ECM重塑的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMP)，被认为是预后不良的指标。作为ECM的主要结构成分，胶原蛋白贡献了高达60%的肿瘤质量和肿瘤组织硬度。高胶原密度促进乳腺肿瘤的发生和侵袭表型。ECM硬度对肿瘤细胞转化、增殖和运动性具有关键影响。例如，高细ECM硬度促进YAP核定位，这是RTK-Ras癌基因诱导正常乳腺细胞转化所必需的。乳腺癌细胞在较硬的ECM上表达更高水平的miR-18a，这有助于肿瘤细胞生长。坚硬的ECM通过诱导高细胞张力促进乳腺肿瘤细胞的生长和侵袭。高ECM硬度上调TWIST1，从而促进上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）和乳腺癌细胞的转移。在胰腺导管癌细胞中，高ECM硬度激活信号转导和转录激活因子3通路，增加基质细胞纤维化和导管上皮张力，并通过减少TGF-β信号和增强β1-整合素活化促进肿瘤进展。高ECM硬度和细胞收缩力使胰腺癌细胞的MMP活性增加3至10倍，从而增强其迁移、侵袭和血管生成。肝癌干细胞的分布与肿瘤组织硬度相关：肿瘤外围硬度高13倍，且所含的癌干细胞（cancer stem cells , CSCs）数量是核心的13倍。为应对高ECM硬度，胶质瘤细胞在粘着斑部位激活Piezo1并增加钙内流，从而激活整合素-FAK信号并增强ECM硬化。高组织硬度激活Rho/ROCK通路，增加肌动球蛋白介导的细胞张力和胶原沉积，进而增强组织硬度。此外，肿瘤组织硬度影响血管形态、屏障功能和通透性。例如，基质硬度诱导的FAK活性激活Src，并提高内皮细胞粘附连接处磷酸化血管内皮钙粘蛋白的水平。ECM硬度增加导致更多血管生成芽生和通透性，不利地促进肿瘤细胞扩散进入血管系统。尽管胶原蛋白的密度和交联水平都影响ECM硬度，但它们对血管生成的影响可能相反。在一个体外三维器官培养的芽生血管生成模型中，基质密度增加会减少血管生成和血管网络形成，这可能是因为坚硬的ECM更难让内皮细胞变形。增加的胶原交联促进球体的血管生成芽生并增加基质硬度。值得注意的是，在邻近肿瘤血管系统的区域观察到更厚且更线性化的基质。这些发现表明，增加的ECM密度和排列（交联和线性化）对肿瘤硬化和进展的影响可能是彼此独立的。ECM硬度对血管生成的影响依赖于细胞-ECM粘附。在二维胶原包被的聚丙烯酰胺凝胶上，较软的ECM促进形成模拟血管生成起始的内皮细胞环，但当胶原密度从100 μg/mL降低到1 μg/mL时，则转为抑制效应。 然而，ECM硬度对肿瘤进展的影响存在争议。例如，卵巢癌细胞在较软的环境中更具侵袭性。多项研究表明，低 ECM 刚度有助于在柔软（90 Pa）而非刚性（1.05 kPa）的 ECM 环境中维持恶性肿瘤再生细胞（tumor repopulating cells，TRCs，或CSCs）的干性特征。此外，具有高配体锚定迁移性的磁性平台所表现出的顺应性可上调肿瘤细胞的干性及其致瘤性。CD133+肝癌干细胞软化局部微环境以维持其干性、增强耐药性并促进转移。这些对ECM硬度的不同反应可能是由于机制依赖于特定的癌症类型以及异质性的TME和肿瘤细胞亚群。作为一种纤维材料，胶原蛋白表现出应变硬化、非线性弹性和各向异性的特性。即使在低细胞收缩诱导的应变下，胶原蛋白的应变硬化也能导致ECM硬化，并且如果应变硬化是不可逆的，则会反过来促进肿瘤进展。在一个有限元模型中，发现胶原纤维的非线性（压缩屈曲和拉伸硬化）有助于将机械信号长距离（约9个细胞长度）传输到远处的细胞。除了硬度，ECM质的结构，例如纤维排列、交联、孔隙率和拓扑结构，也介导癌细胞的侵袭表型，包括在自组装的三维胶原基质中的运动性、突起和MMP活性。高胶原蛋白密度能够减小ECM的孔隙大小，而适度的孔隙大小（5-12 μm）被认为是对神经胶质瘤侵袭起关键促进作用的尺寸。通过利用具有 30 Pa至 310 Pa压力范围的水凝胶的相互渗透网络，孔隙大小和硬度对癌细胞的影响已被分离出来。孔隙中的限制增强了癌细胞的极化、牵引力和迁移速度。在空间受限的ECM中，细胞迁移速度与ECM的硬度呈正相关，而在无限制的ECM中这种关系是双相的。在乳腺癌中，垂直于肿瘤边界排列的胶原纤维被发现可促进侵袭和转移。高水平的胶原交联，连同增加的ECM硬度，通过增强整合素调控的FAK-Src信号促进肿瘤细胞侵袭。TME中的ECM主要由基质细胞产生，包括癌症相关成纤维细胞 (cancer-associated fibroblasts CAFs)。多种病理生理变化可以改变CAFs的数量和功能以促进肿瘤进展。例如，肥胖增加了乳腺脂肪组织中肌成纤维细胞的局部数量，增加了间质纤维化和ECM硬度，并促进了肿瘤发生。坚硬的ECM可能通过两种潜在机制维持CAFs表型并加强ECM硬化。首先，在原代大鼠肺成纤维细胞中，坚硬的ECM和高组织张力是产生收缩力所必需的，这些力可以拉伸大潜伏复合体。储存于其中的TGF-β在拉伸时释放，并将成纤维细胞转化为肌成纤维细胞。其次，坚硬的底物增强成纤维细胞中的YAP活性和收缩性，这是CAFs促进基质硬化、癌细胞侵袭和血管生成所必需的。据报道，YAP激活、Src功能和细胞骨架收缩性之间存在前馈自增强环路，以产生和维持CAFs表型。然而，CAFs表现出促肿瘤或抗肿瘤作用。一方面，通过产生ECM成分，CAFs可以通过影响ECM结构和力学、重编程癌细胞代谢和改变免疫反应，增加肿瘤对化疗的适应性抵抗[58, 59]。另一方面，对于小鼠/患者的胰腺导管腺癌，清除α平滑肌肌动蛋白阳性的肌成纤维细胞会导致侵袭性和未分化肿瘤，伴随缺氧、EMT和CSCs增强，可能恶化患者生存。这些研究表明，需要进一步理解CAFs在肿瘤中的作用，并且在癌症治疗中靶向CAFs时必须谨慎。 BM的力学特性。作为一种薄（20 nm-10 μm 厚）、且具有孔隙结构（10 nm-112 nm 孔径）的交联ECM片层，BM主要由胶原蛋白 IV 和层粘连蛋白组成，将肿瘤组织与周围的正常/基质组织分开，并形成血管的外边界。与健康的BM相比，肿瘤BM含有更少的胶原蛋白 IV 和层粘连蛋白，且更薄、更不连续、交联更少。BM完整性减弱是多种癌症类型的一个主要标志。有趣的是，许多肿瘤组织中的BM（如结肠、皮肤和乳腺癌）比正常组织中的BM（如乳腺腺体约3 kPa，前列腺腺体约0.12 kPa）硬度要高得多（约10 kPa）。然而，其实际机制尚不清楚。 侵袭的肿瘤细胞在转移过程中必须物理性地突破BM。因此，BM的机械特性和组成对肿瘤细胞侵袭具有关键影响。例如，即使Net4导致更大的孔径，Net4介导的BM软化（25 kPa 对比 50 kPa）也会减少小鼠乳腺癌细胞的侵袭。BM样底物硬度的增加减少了整合素α6β4的聚集，并暴露出其多个位点供受体酪氨酸激酶磷酸化，导致PI3K和Rac1信号激活，从而诱导恶性表型。然而，另一项研究报道，通过靶向Col4a1降低BM硬度在小鼠模型中增强了肿瘤侵袭。BM的硬度和组成共同调节癌细胞的侵袭性。坚硬的BM诱导MCF-10A细胞的侵袭，而层粘连蛋白密度的增加使BM变硬并抑制正常乳腺细胞团的侵袭，这表明BM的组成和硬度在肿瘤细胞侵袭中具有复杂的作用。因此，目前尚不清楚靶向Col4a1是通过影响BM硬度还是组成来影响肿瘤细胞侵袭。除了杨氏模量，BM的可塑性（材料永久保留变形的能力）也影响肿瘤细胞行为。例如，重建BM与组织转谷氨酰胺酶之间的共价交联降低了BM的可塑性，但保持了相似的杨氏模量。具有缓慢应力松弛的BM抑制了乳腺癌细胞的铺展和突起形成。 细胞可以通过蛋白酶驱动和力驱动两种模式侵袭BM。胶原蛋白I基质的高硬度可以增加癌细胞突起处的MMP活性以降解ECM并诱导侵袭。然而，这是否适用于主要含有层粘连蛋白和胶原蛋白IV的BM尚不清楚。在血管生成过程中，肿瘤细胞通过蛋白酶降解现有的BM，并通过表面蛋白和BM组装促进初始的层粘连蛋白聚合。这一重塑过程可能在肿瘤中形成渗漏的血管并促进转移的发生。在力驱动模式下，CAFs产生机械力将BM中预先存在的间隙扩大到直径6.2 ± 1.7 μm并软化BM，从而以一种不依赖于MMP的方式促进癌细胞侵袭。 肿瘤细胞在体外可以感知机械张力，并可能在体内感知到BM张力的增加。一个重要但目前未知的问题是，与肿瘤生长物理相关的BM张力如何导致BM弱化，并调节BM邻近肿瘤细胞的下游信号。 表1实体应力对肿瘤细胞功能的差异性影响 实体应力。在实体瘤中，由于周围健康组织对肿瘤细胞向外生长的物理阻力，瘤内残余应力或实体应力逐渐积累（图1A）。在黑色素瘤、乳腺腺癌和乳腺癌等相同的肿瘤内，随着肿瘤生长，实体应力增加，这表明增加的实体应力可能是癌症的一个机械标志。然而，实体应力的大小在不同癌症类型中与肿瘤体积不成正比。 实体应力影响多种肿瘤细胞功能（表1）。结肠肿瘤内部的实体应力（1.2 kPa 或 9 mmHg）激活周围健康组织中的致癌β-连环蛋白通路，促进产生高增殖性隐窝，这与肿瘤组织硬度无关。0.53-2 kPa（4-15 mmHg）的实体应力增强乳腺/胰腺/肾癌细胞的运动性。然而，一旦实体应力超过某个阈值（>37 mmHg），它会抑制肿瘤球体的生长并触发细胞凋亡。在同一结肠肿瘤球体受到各向同性5 kPa（37.5 mm Hg）压力下，外围细胞承受较低压力（1 kPa，7.5 mmHg）比核心区域承受较高压力（8 kPa，60 mmHg）的细胞增殖更快。这些发现表明，不同大小、处于肿瘤生长不同阶段的瘤内实体应力似乎对肿瘤细胞功能有不同的影响。除了对肿瘤细胞的影响外，0.53 kPa（4.0 mmHg）的实体应力激活成纤维细胞，进一步促进胰腺癌细胞的迁移。体内施加压缩力会导致血管灌注不足和神经元损伤。当压缩应力移除后，神经元功能和运动协调性都会恢复。 目前几乎所有的研究都使用压缩应力来代表实体应力。然而，实体应力的方向在瘤内不同位置有所不同，例如，外围为拉伸应力，内部为压缩应力。因此，需要进一步的研究来阐明拉伸实体应力对肿瘤恶性的影响。在大多数研究中，实体应力是在体外施加的，并且忽略了周围正常组织的影响。一些研究表明，在同一肿瘤中，体外测量最大压缩实体应力为0.02 kPa（0.15 mmHg），而原位测量达到0.1 kPa（0.75 mmHg），这可能归因于周围微环境的差异。因此，开发能够在体内施加实体应力的新方法对于研究实体应力对肿瘤进展的影响以及提供生理相关的见解非常重要。 除了直接影响肿瘤细胞功能外，瘤内实体应力还可以通过压缩血管和淋巴管、诱导缺氧、抑制营养物质运输和治疗递送等方式间接影响肿瘤进展。其潜在机制和治疗方法将在“机械医学和机械治疗”部分详述。实体应力对血管和淋巴管的压缩可能影响体内肿瘤和体外肿瘤球体中营养物质和代谢物的分布，从而影响肿瘤细胞功能。然而，目前大多数研究尚未考虑这种间接影响。对于体外细胞单层和半径小于200 μm的肿瘤球体，由于它们的尺寸在氧扩散极限（400 μm）内，缺氧的影响可以忽略。然而，当三维肿瘤尺寸超过此极限时，应考虑到应力诱导缺氧的影响。 组织间液压（Interstitial fluid pressure, IFP）和组织间流动。组织间液是组织基质中的体液（图 1A）。由于脉管系统结构不规则和通透性增加、血流紊乱、间质基质硬化以及淋巴管引流功能受损，IFP从健康组织中的-3.3 mmHg升高到肿瘤组织中的10-100 mmHg。高IFP与癌症患者的不良预后和生存率密切相关。IFP >7.4 mmHg的肺癌患者比IFP较低的患者无复发生存率更低[100]。化疗治疗降低了直肠癌（从15.0 ± 2.0 mmHg至4.0 ± 2.2 mmHg）和乳腺癌（从 7.0 ± 1.9 mmHg 至 4.4 ± 1.8 mmHg）患者的IFP，并产生抗血管和增加氧合的效果。放疗后，IFP高于19 mmHg与宫颈癌患者的无病生存率较低相关。 IFP 影响肿瘤细胞的功能和恶性程度。降低IFP通过减少p44/42 MAPK和Ki-67的表达来抑制细胞增殖。将IFP从0 mmHg增加到15 mmHg和30 mmHg促进了口腔鳞癌细胞的增殖和侵袭。20 mmHg的静水压通过p-ERK和水渗透膜通道AQP1增加了肺癌细胞的体积，并增强了细胞运动性。除了静态流体压力，组织间流动（肿瘤中为 0.1-50 μm/s）及其产生的剪切应力（约0.1 dyne/cm2）也会改变肿瘤和基质细胞的功能。成纤维细胞(而非TRPM7缺陷型纤维肉瘤细胞)在0.5 dyne/cm2的剪切流下会逆转其迁移方向。4.6 μm/s（16.8 pN剪切力）的组织间流动在三维胶原中重组了乳腺癌细胞的粘着斑，并增强了细胞迁移。在三维肿瘤-淋巴模拟微环境中，暴露于0.2 μm/s组织间流动的肿瘤细胞显示出更高的运动性。 表2肿瘤组织与其正常对应组织中氧合状态与组织刚度的比较 缺氧。肿瘤细胞的过度生长、微循环恶化以及氧扩散不足导致组织氧含量从健康组织的4.6%至9.5%降低到肿瘤组织的< 1%-2%，从而导致组织缺氧。肿瘤缺氧的增加与临床结果和患者生存率呈负相关。 越来越多的证据表明缺氧与肿瘤组织力学之间存在相关性。各种类型的肿瘤组织显示出比其正常对应组织更低的氧含量和更高的整体硬度（表2）。除了这种相关性，缺氧直接影响肿瘤细胞的力学和功能。在乳腺癌细胞中，瘤内缺氧促进Rho家族成员RHOA和Rho激酶1的转录，并增强应力纤维形成、基质收缩和细胞运动性。在肝细胞癌细胞中，缺氧通过HIF-1α/RhoA/ROCK1通路促进肌动蛋白重塑，并启动EMT以促进肿瘤侵袭和迁移。此外，缺氧影响CAFs的力学特性和肿瘤转移。在缺氧条件下进行80小时的二维培养，癌症CAFs通过诱导编码胶原脯氨酰羟化酶（P4HA1 和 P4HA2）和赖氨酰羟化酶的基因表达，产生一层坚硬且排列良好的胶原蛋白I。此外，缺氧促进CAF是、中的肌动蛋白重塑，导致纤维状胶原沉积增加，并促进其促恶性功能。有趣的是，在三维胶原中，相同水平的缺氧会抑制PHD2，稳定HIF-1α，降低α-平滑肌肌动蛋白和肌成纤维细胞调节蛋白骨膜素的表达，并减少肌球蛋白II活性和CAFs的硬度，从而使CAFs失活。失活的CAFs减少ECM重塑和肿瘤硬度，并抑制CAFs介导的乳腺癌肺转移。这些矛盾的结果可能是由于实验模型的维度差异。 总之，缺氧影响肿瘤细胞和CAFs的机械特性和转移潜能。此外，尽管在许多报告中缺氧与肿瘤整体硬度呈正相关，但一项研究显示，在MMTV-PyMT小鼠模型的早期乳腺肿瘤中心，中心性缺氧与局部组织硬度降低共存。可以推测，本研究中的中心性缺氧可能部分由肿瘤核心的局部低硬度介导。此外，由实体应力引起的血管系统压缩增加和氧扩散减少可能导致了肿瘤核心的局部缺氧。 图2：正常组织/细胞与肿瘤组织/细胞之间或不同恶性程度肿瘤之间的机械性能比较。 A MRE对肿瘤性与正常肝组织进行成像与测量。结果显示，恶性肿瘤组织在力学上明显硬于正常组织。B二次谐波生成（second harmonic generation，SHG）成像显示，肿瘤组织中的ECM呈现高度交联结构，而正常组织中的ECM则相对疏松。C与正常细胞相比，肿瘤细胞表现出更低的力学刚度。D侵袭性乳腺癌细胞 MDA-MB-231 表现出更高且高度极化的收缩性（通过牵引力大小及其局部富集程度体现），而非侵袭性乳腺癌细胞 MCF-7 则呈现较低且非极化的牵引力。E 细胞-细胞黏附（由细胞黏附分子 E-钙黏蛋白的表达水平及空间分布指示）在解离状态的结肠癌 HCT-8 细胞中低于未解离的 HCT-8 细胞群。F侵袭性MDA-MB-231乳腺癌细胞的细胞-ECM 黏附能力低于非侵袭性 MCF-7 乳腺癌细胞。G卵巢上皮细胞的肌动蛋白细胞骨架以线性排列的F-肌动蛋白为主，而卵巢癌细胞的细胞骨架则表现为高度交联的 F-肌动蛋白结构。H正常支气管细胞具有圆形细胞核（紫色）及细颗粒状异染色质（深紫色），而小细胞肺癌细胞则呈现拉长或不规则形态的细胞核（紫色），并伴随染色质团聚（深紫色）。I高转移性的BW-19淋巴瘤细胞（A）相较于低转移性的BW-19cl1细胞（B）具有更高的细胞膜刚度。 肿瘤细胞力学 原发性肿瘤细胞的力学改变。与其健康对应物相比，肿瘤细胞表现出不同的机械特性，包括杨氏模量、粘弹性、膜张力、收缩性和粘附性（图 2）。肿瘤细胞力学的变化主要由细胞组分（包括质膜、细胞骨架、细胞核以及它们之间的相互作用）改变共同导致。 肿瘤细胞硬度。来自临床样本、异种移植物和癌细胞系的累积证据表明，癌细胞的硬度通常低于正常细胞，只有少数例外（图 2C）。在同一患者中，肺、乳腺和胰腺腺癌的转移性肿瘤细胞（0.53 ± 0.10 kPa）比正常细胞（1.97 ± 0.70 kPa）软4倍。原发口腔癌细胞比健康供体的细胞软3.5倍。包括膀胱癌、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌和甲状腺癌在内的癌细胞系比正常细胞软1.3-30 倍。然而，转移性胰腺癌细胞和患者的正常细胞具有相似的机械硬度。只有少数报告显示，肝、前列腺、淋巴和髓系癌细胞系比其正常对应物硬1.4-2 倍。有趣的是，宫颈癌细胞既表现出软化也表现出硬化属性，其硬度范围从比正常细胞软2.5倍到硬1.4倍。需要注意的是，所有这些硬度测量都是在体外进行的，缺乏体内必不可少的微环境组分，因此可能无法反映它们在未受干扰肿瘤内的真实力学特性。最近一项研究结合了粒子追踪微流变学(Particle-tracking micro-rheology, PTM)和活体显微镜来测量体内肿瘤细胞硬度。结果显示，异种移植瘤中癌细胞的硬度高于二维底物上或封装在三维基质中的肿瘤球体。此外，肿瘤细胞硬度与转移和致瘤潜力呈负相关。CSCs在卵巢癌、皮肤癌和乳腺癌中表现出更高的致瘤和转移潜力，但硬度低于非CSCs。乳腺癌细胞的硬度与侵袭性呈负相关。来自患者的高侵袭性卵巢癌细胞的硬度是低侵袭性细胞的5倍。然而，高侵袭性前列腺癌PC3细胞比低侵袭性LNCaP细胞具有更高的杨氏模量（1.4 kPa对比0.29 kPa），这表明细胞硬度与恶性程度的关系可能取决于癌症类型。 新的发现显示了肿瘤细胞力学在整个转移过程中的动态变化。从肿瘤发生开始，癌基因可以诱导正常细胞细胞骨架的变化，导致短暂的细胞硬化。从癌基因诱导转化时的短暂硬化转变到原发性病灶中肿瘤细胞软化的潜在机制尚不清楚。在一个肿瘤类器官模型中，从原发肿瘤脱离并侵入周围组织的癌细胞在侵袭前沿变得更软、更大。值得注意的是，当肿瘤细胞通过狭窄结构或内皮迁移时，其细胞及细胞核会变软。进入循环后，循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）采用具有较低流动性的细胞骨架以提高其在循环中的滞留能力。在剪切流下存活的癌细胞表现出硬度降低和形态伸长。值得注意的是，抑制肌动球蛋白活性可以增强CTCs在血管系统中的存活。离开循环系统时，TRCs或CSCs硬度的增加会降低外渗率。对一组同基因乳腺癌细胞的测量显示，CTCs在迁移能力/细胞硬度方面类似于亲代肿瘤细胞，这与转移至肺的肿瘤细胞相比显著更低/更高。此外，乳腺癌细胞的细胞骨架和力学特性与其转移趋向性相关。然而，迄今为止，尚无研究系统地展示肿瘤细胞硬度及其相应侵袭性在转移所有阶段的变化，这主要是由于缺乏能够检测体内细胞硬度的有效技术。阐明细胞水平的这些机械改变是否为肿瘤细胞适应不同阶段的不同微环境并完成整个转移过程提供了因果性和功能性支持至关重要。 肿瘤细胞收缩性。活细胞通过肌动球蛋白机制产生收缩力，主动探测并适应其微环境。牵引应力（单位：帕）、净牵引力（单位：纳牛）、应变能（单位：皮焦耳）、消融的细胞骨架丝的收缩特性以及细胞的基质收缩测量对于阐明细胞收缩性至关重要。细胞收缩性的产生取决于各种细胞内和细胞外信号，包括细胞和ECM的机械特性。大多数报告显示，与正常细胞相比，癌细胞产生更高的牵引力并表现出更强的运动性，尽管也有一些例外（图2D）。例如，在软基质（2.83 kPa相对34.88 kPa）上，卵巢癌细胞表现出增强的迁移和增殖，并具有高牵引力（620 Pa相对200Pa）。此外，细胞铺展面积影响细胞收缩性。面积更大的细胞产生更大的力，但仅细胞面积并不能决定牵引应力的大小。 细胞收缩性与多种细胞功能相关，包括侵袭和迁移。肿瘤细胞产生收缩力以侵入ECM或穿透BM。大多数报告显示收缩性与侵袭性呈正相关。例如，在三维环境下，乳腺癌细胞后部的收缩力会促使细胞侵袭。侵袭性的乳腺癌和肺癌细胞的收缩力明显高于非侵袭性癌细胞（分别为2.9 pJ和0.8 pJ，而非侵袭性癌细胞的收缩力分别为（0.1 pJ和0.3 pJ）。在二维条件下，人类的转移性乳腺癌、前列腺癌和肺癌细胞系所产生的净牵引力（150 至 300 nN）明显高于其未发生转移的同类细胞（80 至 160 nN）。产生更高牵引力的膀胱癌细胞（170 Pa）表现出增加的侵袭性。然而，也有报道相反的趋势。我们的研究结果表明，高恶性结肠癌细胞比较低恶性细胞产生更低的牵引力。具有耐药性的人肺癌细胞比对照细胞产生更低的牵引力。在小鼠乳腺癌细胞系中，转移潜能增加与牵引力降低相关（从0.23 Pa到0.05 Pa）。我们的研究表明，致瘤和转移的TRCs与传统肿瘤细胞产生可比较的牵引力大小。此外，高收缩性在几种情况下抑制肿瘤细胞迁移。例如，提高胶质母细胞瘤干细胞的细胞收缩性增强了它们对底物刚度的机械敏感性，并抑制了脑内的局部侵袭。激活肌球蛋白II增加胰腺癌细胞的皮质张力和收缩性，并抑制其迁移。调和侵袭性与收缩性之间这些矛盾关系的一个可能解释是，迁移速度与牵引力之间的关系可能不是单调的。不同研究中检测到的牵引力可能处于该关系的不同区段，从而得出个体正确但相互矛盾的结论。另一种解释是，肿瘤细胞在转移的不同阶段需要不同水平的收缩性来维持其转移优势。 收缩性通过机械转导影响细胞结构和信号传导。由于高度张紧的肌动蛋白帽纤维，成纤维细胞在核周区域产生的力比细胞外围更大。这些张紧的纤维使细胞核能够通过细胞骨架感知细胞外机械刺激，导致YAP核转位。在另一项研究中，抑制肌球蛋白轻链激酶和收缩性会减少YAP核转位，而对细胞施加额外的机械拉伸可部分恢复这一过程。然而，一旦ROCK抑制降低收缩性并消除拉伸诱导的核变形，单纯施加拉伸已无法再恢复YAP的核内转位。这些发现表明，收缩性在维持细胞机械稳态和调节细胞行为方面起着重要作用。 肿瘤细胞粘附。细胞黏附分子介导细胞间黏附（例如钙粘蛋白、选择素和免疫球蛋白超家族成员）以及细胞与ECM的黏附（例如整合素）。在肿瘤转移过程中，肿瘤细胞下调上皮标志物（例如E-钙粘蛋白），上调间质标志物（例如N-钙粘蛋白），并失去细胞-细胞粘附，这些与EMT相关，而后者是肿瘤转移的关键过程。E-钙粘蛋白表达的增加与高细胞-细胞粘附力呈正相关，并降低乳腺癌细胞的侵袭性。P-钙粘蛋白影响细胞间粘附力的大小，而 E-钙粘蛋白调节力积累的速率。P-钙粘蛋白的表达与癌细胞迁移和侵袭相关。整合素为细胞在ECM上提供锚点，是癌细胞迁移的驱动力。细胞-细胞粘附和细胞-ECM粘附通常并非彼此独立。在人鳞癌细胞中，破坏integrin-FAK-Src信号传导会抑制E-钙粘蛋白调控的集体迁移。 在肿瘤发展过程中，细胞-细胞粘附和细胞-ECM粘附在肿瘤进展过程中动态变化。细胞-细胞粘附减少通常在转移早期阶段促进肿瘤细胞从原发肿瘤脱离（图2E）。然而，在侵袭性乳腺癌细胞中发现比正常细胞更高的细胞-细胞粘附。这可能与两种不同的迁移模式有关：单细胞迁移（细胞-细胞粘附减少）和集体迁移（细胞簇中高细胞-细胞粘附）。从原发肿瘤逃逸后，细胞-细胞粘附被认为是集体细胞迁移、CTCs簇形成以及CTCs附着于内皮进行外渗所必需的。另一方面，转化细胞比正常细胞显示出对ECM更低的粘附性（图2F）。对于乳腺癌细胞，具有高细胞-ECM粘附强度的亚群比低粘附细胞转移性更低。低粘附的乳腺癌和结肠癌细胞在体外表现出更高的干细胞特性，在体内形成更多肿瘤。然而，当到达转移器官时，CTC与BM之间以及CTC与内皮之间的粘附对于成功从播散的癌细胞产生继发性肿瘤至关重要。 细胞骨架。细胞骨架主要由肌动蛋白丝、微管和中间丝组成，被认为是细胞硬度、运动性和形态变化的主要贡献者。不同的细胞骨架元件承受不同类型的机械力：F-肌动蛋白和微管主要分别承受张力和压力，而中间丝两者都承受。在肿瘤进展过程中，细胞骨架不断进行重塑，使得肿瘤细胞获得独特的机械特性，并能够适应所遇到微环境的动态变化。 肌动蛋白丝在正常细胞和癌细胞中表现出不同的组织和聚合，通常被认为是细胞力学的主要贡献者。与正常细胞相比，乳腺癌和卵巢癌细胞的肌动蛋白组织更松散，应力纤维更少，导致肿瘤细胞硬度降低（图2G）。突起的形成需要肌动蛋白聚合，这对细胞迁移和侵袭至关重要。在三维基质中，侵袭性细胞采用细长的纺锤状形态，在突起边缘具有高密度的肌动蛋白丝。肌动蛋白聚合水平可以由肌动蛋白丝(F-肌动蛋白)与球状肌动蛋白(G-肌动蛋白)的比值表示。在结肠癌细胞中，高和低的F/G肌动蛋白比值都被报道与侵袭性相关。微管聚合导致癌细胞杨氏模量和色素上皮RPE1细胞剪切模量的增加。ECM硬化通过谷氨酰化增加微管的稳定性，并促进乳腺癌细胞的侵袭。F-肌动蛋白和微管的数量比以及它们之间的相互作用对调节细胞力学和行为至关重要。在迁移细胞中，肌动蛋白在突出的细胞前缘提供驱动力，而微管调节后部收缩。在成纤维细胞-ECM相互作用的早期阶段，肌动球蛋白收缩性限制了突起中微管的生长。在结肠癌细胞中，较高的 F-肌动蛋白/微管比与较高的恶性分级和细胞硬度相关。 在六种中间丝类型中，波形蛋白是癌细胞迁移和硬度的重要调节因子，而角蛋白和核纤层蛋白也扮演重要角色。癌基因诱导的细胞转化导致波形蛋白纤维宽度增加和波形蛋白网络崩溃，从而导致细胞硬度升高。然而，关于波形蛋白对癌细胞硬度影响的报道存在矛盾结果。具有较高波形蛋白的卵巢癌细胞似乎更软。值得注意的是，在硬度较高的乳腺癌细胞中发现波形蛋白表达增加，并促进EMT和癌细胞侵袭性。在EMT过程中发现角蛋白低表达伴随癌细胞硬度降低。核纤层蛋白也调节细胞硬度，其影响将在下一节进一步解释。 细胞核。癌细胞中的细胞核通常呈现不规则形状，而正常细胞中的细胞核呈椭圆形且轮廓平滑。作为细胞中最大的细胞器，细胞核的硬度通常比细胞质高 5-10 倍。因此，核的可变性在肿瘤细胞侵袭中具有重要作用。当扩散的肿瘤细胞通过狭窄的收缩结构或致密的TME迁移时，需要相当程度的核变形，并可能导致核膜瞬时破裂，潜在地引起基因组不稳定、DNA损伤和细胞死亡。例如，穿透不同硬度组织时扩散的肿瘤细胞可能经历不同数量的核变形，这与源自不同组织的肿瘤中不同水平的基因组不稳定性和突变相关（图2H）。 核变形能力主要源于核膜内的核纤层蛋白和染色质。在单个分离的细胞核中，核纤层蛋白A/C水平和染色质分别在大变形（> 3μm）和小变形（< 3μm）时调控核应变硬化。常染色质/异染色质的比例调节核硬度。肿瘤进展的不同阶段可能需要不同的核力学特性。在肿瘤发生期间，在人神经母细胞瘤细胞中敲低核纤层蛋白A/C会增加肿瘤起始细胞的数量。与野生型对照相比，核纤层蛋白A/C 缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞中核破裂的发生频率更高。核纤层蛋白调控的核硬度被认为可以保护正常细胞免受力诱导的核破裂和突变，这可能预防肿瘤发生。然而，这种机制可能与核纤层蛋白对细胞核力学的影响无关。例如，核纤层蛋白A通过调节p53结合蛋白1来增强DNA修复。敲低核纤层蛋白A可使核柔软度增加4倍，并促进肺肿瘤异种移植物的肿瘤生长。在迁移、内渗和外渗过程中，肿瘤细胞需要软化细胞核以挤过限制性空间。在循环系统中过渡时，核纤层蛋白A/C保护CTCs免受血管中剪切诱导的破坏。然而，核力学在转移定植中的作用仍然是一个谜。 细胞膜。除了细胞核和细胞骨架的主要作用外，细胞膜也影响细胞硬度。细胞膜硬度受膜弯曲刚性、流动性、膜张力以及与底层皮质的连接影响。通常通过测量膜的形状波动来量化：较高的波动代表较低的硬度。受膜脂质组成以及鞘脂和胆固醇梯度的调控，癌细胞通常比正常细胞表现出更低的膜硬度，这与侵袭性呈负相关。例如，原发乳腺和宫颈肿瘤细胞显示出比其正常对应物更软的细胞膜（图2I）。当细胞膜硬度增加时，乳腺癌细胞的侵袭性降低。在高转移性T淋巴瘤细胞中，细胞膜波动高于其相应的非转移性细胞系。细胞膜流动性（粘度）是一种描述膜内分子随时间依赖性运动和分子无序水平的机械特性。细胞膜的流动性与膜张力、细胞增殖潜力以及肝癌和肺癌的不良预后相关。在乳腺癌细胞中，EMT介导的膜流动化可以增加癌细胞移动性。细胞膜的力学和功能高度依赖于其底层的细胞骨架。在癌细胞中，膜-皮层连接维持膜张力，并通过曲率感应BAR蛋白抑制迁移和侵袭。肌动蛋白聚合诱导的突起会导致膜张力暂时增加和膜皱褶的展开。细胞膜硬度和膜蛋白的功能可以相互影响皮质细胞骨架结构。在中性粒细胞迁移过程中，前缘的膜张力增加，通过肌动蛋白组装抑制次级前缘的形成。因此，细胞膜的机械特性和功能需要与细胞骨架一起研究。 总结 肿瘤组织和肿瘤细胞的力学特性在肿瘤进展过程中发生显著变化。这些多尺度的机械改变通过机械转导调节基因转录和蛋白质活性，并影响肿瘤细胞功能和恶性程度。然而，几个基本问题仍有待解决。 首先，肿瘤细胞通常比健康细胞更软，而肿瘤组织比健康组织更硬。但是，这些机械改变在肿瘤发生和进展过程中的先后顺序是怎样的？肿瘤细胞力学的改变如何促成肿瘤组织的机械变化，反之亦然？ 其次，对肿瘤细胞硬度在转移过程中的动态改变仍缺乏全面理解。其潜在的驱动力仍然不清楚。肿瘤细胞可能主动改变其机械特性以适应转移过程中的不同微环境。或者，肿瘤微环境中的各种因素，包括机械信号，可能选择具有独特细胞硬度和转移优势的肿瘤细胞亚群。在肿瘤转移的每个阶段，细胞硬度所发挥的作用尚不清楚。值得研究的是，肿瘤细胞力学是与肿瘤组织的生物物理环境协同作用还是独立作用。肿瘤细胞力学在机械靶向中的治疗作用仍有待探索。 第三，肿瘤的突变率与组织力学特性相关，并且癌基因诱导的细胞转化需要较高的基质硬度。然而，组织力学的动态改变如何影响基因突变并促进肿瘤发生仍不清楚。肿瘤细胞硬度在组织力学介导的基因突变中的作用尚不明确。 第四，播散的肿瘤细胞转移到特定器官，即器官趋向性。转移的一个显著特征是建立一个有利于容纳扩散肿瘤细胞的有利的转移前微环境。然而，目前尚不清楚具有特定器官趋向性的原发肿瘤细胞在到达目标器官之前是否以及如何影响其力学特性。考虑到原发肿瘤的机械异质性，我们假设原发肿瘤中机械异质性的局部微环境可能赋予驻留的肿瘤细胞转移到不同器官的能力。这些经过机械“启动”的肿瘤细胞亚群可能会调整转移器官的力学特性，并建立一个有利的转移前微环境，以支持到达的肿瘤细胞的生存和生长，从而促成转移趋向性。 机械转导与致癌信号之间的相互作用 机械转导 细胞不仅经历各种类型的机械信号，同时也主动对其周围环境施加内源性力。受到机械刺激时，细胞内外的生物分子改变其构象并影响下游生化信号传导。细胞感知并将机械信号转导为生化信号和事件的过程称为机械转导。例如，近期数据表明，底物刚度可以调节细胞内/细胞间钙信号的动态。一方面，这两种信号传导共享许多共同的细胞内通路，并且可以为同一功能协同工作，例如力诱导的Rac激活可不依赖于经典的Src活性而发生。另一方面，与化学转导不同，机械转导具有其自身特点，包括力的远距离传播、方向特异性以及力产生、传递和停止的快速速率。 癌症中的机械转导。机械转导依赖于细胞力学和力传递机制。如“肿瘤生长中的力学”一节所述，肿瘤细胞表现出显著的物理特性改变，这构成了其独特的机械敏感性基础。正常细胞的硬度/铺展/增殖/代谢随周围细ECM变硬而增加，而肿瘤细胞的反应往往较弱。例如，Ha-RasV12转化的细胞在不同硬度的底物上保持恒定的细胞硬度和增殖。非小细胞肺癌细胞无论微环境硬度如何均保持高糖酵解速率，而人支气管上皮细胞则随底物硬度增加而提高糖酵解速率。值得注意的是，癌细胞独特的机械反应似乎依赖于环境的维度。例如，MDA-MB-231细胞在二维底物上表现出刚性依赖的生长，而在不同刚度的三维环境中则显示出相似的形态和生长速率。此外，大多数CSCs相比非CSCs表现出更低的机械敏感性。胶质瘤肿瘤起始细胞在不同硬度底物上与常规癌细胞相比，其干性标志物表达、铺展面积和增殖保持不变。纤维蛋白选择型TRCs，但未被选择的癌细胞不会如此，它们在不同硬度的基底上保持其硬度不变，这是因为其 Cdc42 水平降低所致。此外，癌细胞和健康细胞对其他类型机械信号的反应也不同。例如，正常成纤维细胞（而非纤维肉瘤细胞）通过TRPM7和RhoA活性在微通道内响应流体剪切应力而逆转迁移方向。由于约束引起的慢性 DNA 损伤会导致正常细胞的细胞衰老，但会促进转化细胞的侵袭。这种差异可能是因为正常细胞比肿瘤细胞具有更硬的细胞核和更高的核纤层蛋白A/C表达。 迄今为止，已发现至少三种不同的机制构成了肿瘤细胞独特机械敏感性的基础。第一，Ha-RasV12转化的胰腺、乳腺和肾脏细胞因缺乏Caveolin-1而改变了对底物硬度的机械敏感性。第二，乳腺癌和许多其他癌细胞失去了原肌球蛋白2.1（一种参与稳定肌动蛋白丝和结合蛋白的蛋白质），并显示出减弱的刚度感知能力。第三，胶质瘤肿瘤起始细胞由于肌球蛋白依赖性收缩力不足而缺乏对ECM硬度的机械敏感性。值得注意的是，通过重新表达Caveolin-1或原肌球蛋白2.1或增加细胞收缩力，可以恢复肿瘤细胞对基质硬度的机械敏感性，这表明每种机制都具有主导作用。 有趣的是，一些肿瘤细胞似乎对某些机械信号更敏感。例如，循环拉伸通过Piezo1介导的细胞内Ca2+过载增加了刚性不依赖性转化细胞的凋亡，但会促进正常细胞的增殖。低频超声波上调Piezo1从而抑制肿瘤细胞生长并诱导其凋亡，但对正常细胞影响甚微。然而，为何转化细胞内的Ca2+信号对循环拉伸和超声波过度敏感，需要进一步研究。 癌症中的机械性细胞竞争。正常上皮细胞通常会与转化细胞竞争生存，这一过程可受机械应力和细胞压缩的影响，通过消除或扩张转化细胞来实现。 在癌症早期，当正常细胞包围转化细胞时，它们会形成臂状的波形蛋白并产生收缩力，以防止被包围的转化细胞形成基底延伸，并将转化细胞从上皮层顶部挤出。只有当被野生型细胞包围而非仅简单接触时，野生型细胞才能通过上调p53来主动隔离、压缩并清除Scribble缺陷型细胞，这表明接触界面内的机械因素（而不仅仅是生化因素）驱动了此过程。因此，所有转化细胞都应该被彻底清除，以避免形成明显的肿瘤。然而，这与癌症的普遍存在相悖，表明存在其他因素抵消肿瘤发生期间的机械挤压效应，包括ECM硬度和循环应变。例如，与软ECM(4  kPa)相比，刚性ECM(90 kPa)通过细丝蛋白重新定位抑制了HRa5V12转化细胞从上皮单层中向外挤出。周期性应力（1 Hz，3-9% 应变幅度）能够阻止转化细胞从健康的单层向顶端挤出，同时由于RASV12转化细胞与野生型细胞之间胞质肌动蛋白的功能差异的减小，促进了它们向基底的侵袭。 肿瘤细胞不仅可以逃避细胞间的机械性竞争，还可以清除健康细胞。在果蝇翅膀成虫盘幼虫竞争期间，具有高水平原癌基因dmyc的细胞（赢家）由于生长速率不同以及界面高张力，而将野生型细胞（输家）从上皮中挤出。不同张力由输家与赢家连接点处F-肌动蛋白水平的差异引起。此外，在果蝇蛹背板中，RasV12转化的克隆引起相邻野生型细胞的异位组织压缩，通过下调ERK信号触发其挤出和死亡。释放组织应力可减少细胞压缩并短暂激活ERK信号，从而防止野生型细胞挤出。进一步，过表达肌球蛋白II的活性形式（而非阻断RasV12克隆的旁分泌因子）可减少野生型细胞的清除，表明细胞清除是由机械而非化学信号驱动的。然而，关于肿瘤发生和进展期间的物理改变如何影响正常细胞与肿瘤细胞之间的相互作用力，目前仍未完全明了。 癌细胞与正常细胞进行机械竞争，这对肿瘤进展至关重要。ECM力学特性的异常改变可促进癌细胞战胜正常细胞。然而，其潜在机制仍知之甚少。因此，理解肿瘤特异性机械环境影响细胞竞争的机械转导机制至关重要。近期研究表明，机械触发的细胞间钙波通过加固肌动蛋白环结构，促进发生致癌性转化的细胞及凋亡细胞被挤出组织。靶向机械转导机制可能有助于从新角度抑制肿瘤发展。 图3：机械传感器和机械敏感蛋白对肿瘤的发展具有致癌性和/或抑癌作用。 A 致癌作用相关机制,1-整合素：基质硬化可激活整合素及其下游的FAK、PI3K和ERK信号通路，从而促进肿瘤细胞的增殖、生长和转移。相反，流体剪切应力可抑制整合素β1-FAK信号，增强放射治疗诱导的细胞死亡。2-Piezo通道：压缩应力和机械牵拉可激活Piezo1，引发钙离子内流，进而启动下游FAK和AKT信号通路，增强肿瘤细胞的增殖与侵袭能力。3-N-钙黏蛋白（N-Cadherin）：较高的基质刚度和流体剪切应力可上调N-钙黏蛋白的表达，诱导EMT，并促进肿瘤细胞迁移。4-Wnt/β-连环蛋白通路：肿瘤生长诱导的实体应力（约1.2 kPa）可激活健康小鼠结肠组织中的Wnt/β-连环蛋白通路，导致细胞过度增殖及异常病灶形成。升高的ECM刚度可激活Wnt/β-连环蛋白及其下游PI3K和YAP信号，从而促进肿瘤细胞生长并增强化疗耐药性。剪切应力由3.5 dyne/cm2增加至60.5 dyne/cm2可激活β-连环蛋白，进而影响癌细胞增殖；而2 dyne/cm2和15 dyne/cm2的剪切应力则可抑制 Wnt/β-连环蛋白信号，诱导癌干细胞分化或细胞周期阻滞]。GPCR：乳腺癌细胞可通过GPCR感知剪切应力；较高的基质刚度通过GPCR介导的YAP激活促进肝细胞癌细胞的增殖和干性维持。B 抑癌作用相关机制，1-整合素：通过磁驱动基质施加牵拉力可抑制整合素活性，并增强丝切蛋白（cofilin）活性，从而诱导侵袭足（invadopodia）延长。2-Piezo通道：周期性应力和剪切应力可激活Piezo通道，引发钙离子过载，最终诱导肿瘤细胞凋亡。3-E-钙黏蛋白：高基质刚度和剪切应力可下调E-钙黏蛋白的表达，从而诱导EMT，或通过β-连环蛋白通路促进肿瘤细胞增殖和迁移。4-高实体应力：当实体应力超过37.5 mmHg时，可抑制癌细胞增殖并诱导细胞凋亡。 机械敏感蛋白及其在肿瘤生长中与致癌信号的相互作用 机械传感器指的是那些利用其力诱导的构象变化或修饰将机械信号转化为生化信号的生物分子，例如整合素、钙粘蛋白、Piezo和GPCR。机械敏感生物分子则指能够响应物理刺激但尚未被直接证据证实为机械传感器的分子，如YAP/TAZ和EMT相关蛋白。图3 总结了机械传感器和机械敏感蛋白的致癌（图3A）和抑癌（图3B）功能。如“肿瘤生长中的力学”所述，TME的力学在肿瘤进展过程中会动态变化。因此，肿瘤细胞中的机械传感器和机械敏感生物分子如何感知并响应这些改变的物理刺激，对肿瘤细胞行为和功能具有关键影响。这些机械转导活动与经典的致癌信号相互作用，协同影响肿瘤进展。反之，TME的力学改变和肿瘤细胞的机械转导也可以增强机械感知机制。 表3 不同整合素亚型在机械转导中的功能 整合素。作为异二聚体跨膜受体，整合素具有α和β亚基，分别与特定的ECM配体结合。当α亚基与ECM结合后，β亚基在胞内结构域与细胞骨架相互作用以激活下游信号。许多临床发现显示整合素高表达与癌症患者不良生存率密切相关，少数例外详见表3。 整合素是肿瘤细胞中感知肿瘤微环境机械改变的关键机械传感器。在基质硬度从0.1 kPa增加到10 kPa时，乳腺肌上皮细胞通过α5β1和ανβ6整合素在1 kPa的纤连蛋白包被底物上产生峰值收缩力。常存在于导管癌中的整合素-β6过表达的肌上皮细胞，仅在1 kPa 时通过α5β1整合素、仅在5 kPa时通过ανβ6整合素、在 10 kPa 时通过两种整合素分别产生最高收缩力，这表明不同整合素亚型决定了不同的刚度感知能力。通过磁珠施加的牵拉力降低β3表达并增加丝切蛋白活性，促进纤维肉瘤细胞的侵袭（图3B）。硬化的肿瘤组织激活整合素及其下游信号，通常赋予肿瘤细胞更具恶性的表型。抑制赖氨酰氧化酶介导的胶原交联可降低组织纤维化和硬度，并通过β1整合素-PI3K信号减少肿瘤发生率。组织硬度升高导致细胞膜上形成庞大的糖萼，调节整合素簇集和整合素-ECM相互作用，激活FAK和ERK通路，从而增强乳腺和脑肿瘤细胞的生存和生长（图3A）。整合素介导的机械转导反过来影响肿瘤微环境的力学。胶原交联与基质整合素α11表达相关。在非小细胞肺癌细胞中，整合素α11缺失与胶原重组减少和组织硬度降低相关，从而抑制非小细胞肺癌细胞的生长和转移潜力[200]。在乳腺癌CAFs中敲除DDR2会改变胶原纤维组织，降低肿瘤组织硬度和β1整合素活性，导致肺转移减少。 此外，整合素可以响应其他类型的机械信号。例如，流体剪切流通过激活ανβ3和β1整合素诱导骨肉瘤细胞 G2/M 期阻滞。在结肠癌细胞中，剪切应力抑制整合素β1-FAK 信号，增强辐射诱导的细胞毒性（图3A）。在乳腺癌细胞中，低剪切应力促进整合素β1的内化，从而促进细胞迁移。在转移过程中，不同的整合素亚型可能具有不同作用。我们已在图3和表3中总结了整合素亚型的不同机械转导功能。即使是同一亚型的整合素，也可能在生物信号和机械转导信号上兼具致癌和抑癌作用（表4）。它们相互矛盾的作用增加了整合素靶向癌症治疗的复杂性和挑战性，这或许部分解释了靶向单一特定整合素的临床试验失败的原因。未来需要进一步研究整合素介导的机械转导在肿瘤进展中的作用，以阐明其全面的功能。 表4整合素的抑癌与致癌双重功能 钙粘蛋白。钙粘蛋白（包括 E-、N-、VE-、P-、R-和K-钙粘蛋白）是具有跨膜结构的蛋白质，它们作为细胞间相互作用的受体发挥作用，介导钙依赖性粘附。E-钙粘蛋白的下调与肿瘤发生和进展相关，而N-钙粘蛋白的高表达促进多种肿瘤的恶性程度。R-和K-钙粘蛋白在癌症中的作用目前正受到广泛研究。 作为细胞间相互作用的介质，钙粘蛋白是感知和传递相邻细胞产生的机械信号的重要机械传感器。钙粘蛋白的胞质结构域通β-连环蛋白和α-连环蛋白与肌动蛋白细胞骨架连接，从而介导机械转导。E-钙粘蛋白介导的力转导影响多种细胞功能。通过E-钙粘蛋白传递的力会激活表皮生长因子（epidermal growth factor receptor, EGFR）受体信号，负责局部细胞骨架重塑和细胞增殖。在MCF-10A细胞中，在缺乏EGFR的情况下，E-钙粘蛋白键上的张力会破坏细胞膜上的EGFR/E-钙粘蛋白复合物。从复合物中释放的EGFR单体促进EGFR与EGF结合，从而激活下游信号。此外，坚硬的三维微环境会降低E-钙粘蛋白表达，破坏E-钙粘蛋白与β-连环蛋白的共定位，并促进肺和胃肿瘤细胞的增殖和侵袭（图3B）。然而，三维高刚度的胶原蛋白-聚乙二醇凝胶体系中（4 kPa相比0.7 kPa），肝细胞癌细胞倾向于形成肿瘤球结构，其恶性表型受到抑制，同时细胞-细胞边界处定位的E-钙粘蛋白表达水平显著增强。这些相互矛盾的发现可能源于基质硬度绝对值差异以及不同癌症类型。此外，剪切力增强N-钙粘蛋白表达并降低E-钙粘蛋白表达，后者可释放β-连环蛋白并将其转位至细胞核，从而促进乳腺、肝脏和食管癌细胞的迁移和侵袭（图3A, B）。刚性的ECM会上调内皮细胞表面N-钙粘蛋白，增强肿瘤细胞与血管内皮的相互作用，从而促进转移（图3A）。 总之，钙粘蛋白介导的细胞间相互作用对癌细胞的迁移、存活和生长至关重要。然而，钙粘蛋白介导的机械转导如何影响体内肿瘤进展仍有待研究。 Piezo及其他离子通道。Piezo1/2离子通道是在真核生物中保守的机械敏感跨膜蛋白。具体来说，在膜张力（~ 92N）作用下，Piezo1/2通道发生从弯曲到扁平状态的构象变化，随后细胞外钙内流和细胞内钙释放，从而影响细胞功能。Piezo1/2的异常表达在各种癌症类型中与患者生存率呈正相关或负相关，这表明Piezo1/2可能表现出致癌或抑癌功能，很可能取决于癌症类型和亚型。 作为机械传感器，Piezo1/2感知外部机械信号，影响癌细胞的增殖、迁移、凋亡和侵袭。例如，机械拉伸激活Piezo1及其下游Akt/mTOR通路，促进前列腺癌细胞的细胞周期进程。胶质瘤组织硬化在粘着斑处激活Piezo1，进一步促进γ整合素-FAK信号传导，重塑ECM并加强组织硬化（图3A）。在乳腺癌细胞中，机械压缩会激活Piezo1和RhoA/Src/FAK/ERK信号，随后增强肿瘤细胞侵袭、基质降解和侵袭足形成（图3A）。ECM硬度会激活Piezo2介导的钙内流，在优先转移至脑的乳腺癌细胞中维持RhoA的激活、应力纤维的方向和粘着斑。通过Piezo1的力诱导的钙内流可被用于靶向癌细胞。例如，循环剪切应力促进Piezo1介导的钙内流，使悬浮的前列腺癌、乳腺癌和结肠癌细胞对TRAIL诱导的凋亡更加敏感（图3B）。总之，Piezo1/2作为机械传感器的作用在肿瘤进展中至关重要。它们在不同类型癌症、不同肿瘤阶段的综合功能仍有待阐明。 G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors, GPCRs）。作为跨膜蛋白，GPCRs具有七个跨膜α螺旋结构，与异源三聚体G蛋白（Gα, Gβ 和Gγ亚基）偶联。配体-受体激活后，胞质GPCR激酶磷酸化相应受体，例如多巴胺和GABA受体，并触发 G 蛋白非依赖性GPCR信号级联反应。临床发现表明GPCRs高表达与患者不良生存率正相关，但也显示了GPCRs在胶质母细胞瘤、乳腺癌和子宫内膜癌中的抑癌功能。 GPCRs可作为机械传感器感知和响应机械力。作为内皮机械传感器，Helix 8结构是感知流体剪切应力所必需的。最近，GPCRs作为癌细胞中机械传感器的作用已逐渐被揭示。例如，乳腺癌细胞通过GPR68/OGRI感知2-Pa的剪切应力触发钙瞬变，而24-Pa的压力则使GPCRs失活以调节F-肌动蛋白组装和YAP活性（图3A）。在350-kPa的水凝胶上，乳腺癌细胞对GPCR家族成员CXCR4的解结合力比正常乳腺细胞更高。当基质硬度从1 kPa增加到6 kPa和12 kPa时，肝细胞癌细胞上调CXCR4并降低UBTD1活性，从而促进增殖、EMT表型和CSC特征（图3A）。0.7 μm/s和0.1 μm/s的组织间流动通过激活CXCR4增加胶质母细胞瘤和肝细胞癌的细胞侵袭能力。GPCRs也影响肿瘤组织力学以影响肿瘤进展。例如，GPR56与TG2结合抑制其ECM交联功能并重塑纤连蛋白，从而抑制黑色素瘤生长。他莫昔芬作为GPER的激动剂，通过GPER-RhoA-YAP和MLC2信号降低肿瘤的硬度。GPERs介导的ECM重塑使胰腺星状细胞失活并抑制肿瘤细胞侵袭。关于 GPCRs 在肿瘤进展中作为机械传感器的研究还需要进一步开展，以解决所报道的相互矛盾的发现。例如，GPR56高表达与结直肠癌不良预后相关，但与胶质母细胞瘤患者良好生存率相关。由于结肠和脑组织的硬度不同，需要研究以阐明GPR56或其他GPCR蛋白是否在不同的机械刺激下发挥不同作用，并通过不同机制促进肿瘤进展。 EMT相关信号。EMT代表了极化上皮细胞向间质状态的转变，涉及上皮标志物表达减少（E-钙粘蛋白和细胞角蛋白）和间质标志物（如 N-钙粘蛋白、Twist、波形蛋白、Snail 和 Slug）表达增强。一方面，EMT促进转移潜能并赋予转化细胞CSCs特性。EMT与肿瘤分级/患者生存率呈正/负相关。另一方面，在小鼠中敲除Snail1或Twist1不影响转移，但增加了对化疗的敏感性，这表明 EMT 可能在耐药性中不可或缺，但在转移中并非如此[。 肿瘤细胞的EMT表型不仅对生化信号敏感，也对机械信号敏感。在乳腺癌中，升高的底物硬度（从150 Pa到5700 Pa）通过TWIST1-G3BP2和EPHA2/LYN/TWIST1通路促进EMT和癌细胞侵袭。大鼠模型中肝组织的高硬度（~16 kPa相比9 kPa和5 kPa）通过eIF4E诱导肝细胞癌的EMT。具有高E-钙粘蛋白/N-钙粘蛋白比率的口腔鳞状细胞癌细胞在坚硬（20 kPa 相比 0.48 kPa）微环境中培养5天后获得间质特征，并表现出增强的迁移能力。在结直肠癌细胞中，升高的基质硬度（（2、10、40 和 95 kPa）促进TGF-β家族成员Activin A的分泌并诱导EMT以促进迁移。在胰腺癌细胞中，坚硬的基质（25 kPa相比 4 kPa）会上调波形蛋白，下调E-钙粘蛋白，并增强YAP/TAZ核定位，这可能增强肿瘤细胞对紫杉醇的耐药性（图3B）。有趣的是，卵巢癌细胞在软底物上经历EMT并具有高运动性[36]。此外，流体剪切应力促进LSCC、乳腺癌、卵巢癌的EMT表型，并增强多种细胞功能，包括迁移、运动性、干性和肿瘤形成以及在血液循环中的存活。在肾细胞癌中，累积的实体应力（4 mmHg）通过Akt-GSK-3β-β-连环蛋白通路促进EMT。 EMT重塑细胞骨架，并可能影响肿瘤细胞硬度和收缩性。在三维微环境中，头颈癌细胞的硬度与EMT表型和侵袭性呈负相关。用茶儿茶素处理的非小细胞肺癌细胞表现出运动性降低、波形蛋白/Slug表达减少以及细胞硬度增加。TNF-α诱导蛋白促进胃癌细胞运动性，增加波形蛋白表达并降低细胞硬度。相反，在乳腺癌细胞中过表达波形蛋白诱导EMT并增加细胞硬度。这些发现表明，EMT对细胞力学的影响可能具有癌症类型特异性。有趣的是，EMT的诱导会降低/增加乳腺癌细胞在间期/有丝分裂期的硬度和收缩性。 总之，机械刺激影响肿瘤细胞的EMT表型和转移潜能。系统研究不同大小和类型的机械信号（例如压缩、剪切和张力）对上EMT的因果效应，可以进一步阐明力学诱导的EMT在转移中的作用。 YAP/TAZ介导的机械转导信号。YAP（Yes相关蛋白）和TAZ（具有PDZ结合基序的转录共激活因子）由Hippo信号通路调控，并显示出致癌和抑癌双重效应。一方面，YAP/TAZ的高mRNA和蛋白水平与非小细胞肺癌、肝细胞癌、黑色素瘤、胶质瘤、结肠癌和乳腺癌患者的不良预后相关。另一方面，YAP在血液肿瘤和乳腺癌细胞中下调，其低表达与患者不良生存率相关。最近一项研究表明，在表达YAP和缺乏YAP的肿瘤模型中，YAP过表达分别促进和抑制肿瘤生长。这些相互矛盾的发现表明了YAP/TAZ在癌症中的重要和多方面作用。重要的是，YAP/TAZ不仅响应生化刺激，也响应机械刺激，包括EMC的硬度/拓扑结构、剪切/压缩应力、细胞骨架预应力和细胞密度。 ECM硬度主要通过细胞骨架张力调节各种肿瘤细胞中的YAP激活。一方面，坚硬的凝胶(3相比1.2 mg/ml)抑制F-肌动蛋白加帽/切断蛋白，从而促进细胞骨架张力并使YAP/TAZ转位至转化MCF-10A细胞的细胞核中，这一过程不依赖于Hippo信号。ECM硬度通过CXCR4/UBTD信号促进肝细胞癌中YAP核定位（图3A）。此外，基质硬度可逆地调节胃癌细胞YAP启动子区域的DNA甲基化。刚性依赖的YAP反应已被用于特异性杀伤位于高刚度的肺转移灶的乳腺癌细胞。同时，癌细胞在坚硬ECM上的YAP激活通常与增加的铺展面积和粘着斑相关。当细胞铺展面积恒定时，改变粘附面积不影响YAP核定位，这表明底物硬度对 YAP 活性的影响并非通过粘着斑。这一效应是否由细胞铺展介导仍有待确定。另一方面，柔软基底可激活RAP2及LATS1/2，使YAP/TAZ滞留于乳腺癌细胞的胞质中，从而抑制异常腺泡结构的形成、非贴壁生长以及异种移植瘤的生长。在柔软 ECM 条件下，HCC 细胞中 YAP 活性降低，而这一效应可通过蛋白多糖Argin的作用得到恢复，其机制涉及对Merlin、LATS1/2及ILK-PAK通路的抑制。这些发现表明，软和硬的ECM诱导YAP胞质和核转位分别依赖于和不依赖于Hippo通路。此外，三维软纤维蛋白凝胶将YAP 保留在肿瘤细胞质中，促进其生长和干细胞特性。有趣的是，最近几份报告显示，三维基质硬度的增加增强了乳腺癌细胞的恶性程度，但不影响 YAP 核转位[288]。成纤维细胞中YAP的亚细胞定位与基质硬度无关，而是由细胞核变形决定。此外，与软水凝胶（2.27和3.94 kPa）相比，三维刚性胶原/藻酸盐水凝胶（16.85 kPa）下调YAP1并将YAP保留在乳腺癌细胞的细胞质中。这些矛盾的发现可能源于基质硬度范围的不同以及特定凝胶的性质。 YAP/TAZ活性对其他机械信号也很敏感。例如，流体剪切应力促进YAP核定位，增强前列腺癌细胞的增殖和运动性。在肝细胞癌细胞中，流体剪切应力促进细胞骨架重排，使YAP从整合素β1释放，启动YAP核转位，并促进EMT和细胞运动性（图3A）。拉伸和压缩应力对YAP活性有不同的影响。拉伸应力增加转化MCF-10A细胞中YAP核定位，而压缩应力通过抑制宫颈癌细胞中F-肌动蛋白形成或通过降低纤维肉瘤细胞中Rho活性和皮质收缩介导YAP胞质转位。此外，20-μm宽度的限制迫使YAP从骨肉瘤细胞的细胞核穿梭到细胞质。高渗应力通过相分离诱导U-2 OS细胞和HEK293T细胞中YAP核转位，而高细胞密度抑制YAP/TAZ活性，导致脑膜瘤细胞和乳腺癌细胞的接触抑制。 高度张紧的细胞骨架结构对于将细胞膜产生的力传递至细胞核至关重要，因此对YAP核定位也至关重要。即使细胞骨架被破坏，直接对细胞核施加力仍能诱导YAP核定位，这表明核机械感知在YAP激活中不可或缺。然而，关于核机械感知对 YAP 的影响存在争议。高核膜张力会阻止核变形和力诱导的YAP核定位，同时增加核孔大小和通透性，这可能促进YAP的核定位。此外，核机械感知可以通过调节肌球蛋白II定位向细胞骨架张力提供新的反馈，这可能进一步影响YAP核定位。由于YAP缺乏核定位序列，核机械转导如何将YAP转位至细胞核仍有待阐明。 与生化信号不同，机械信号以不依赖于Hippo的方式激活YAP。因此，单独通过Hippo信号靶向YAP活性进行癌症治疗需要重新审视。能够特异性靶向YAP/TAZ机械转导或其下游效应子的治疗干预有望提高治疗的精准性。 细胞核作为机械传感器。除了机械敏感蛋白，细胞核本身也作为机械传感器响应机械刺激。例如，通过nesprin-1直接施加于分离细胞核的力会在几秒钟内通过核纤层蛋白A/C的募集和emerin的磷酸化使其变硬。对细胞核施加力足以通过拉伸核孔驱动YAP核转位，即使没有细胞骨架也是如此。此外，当细胞通过比其细胞核更小的受限空间时，核膜会扩张并展开，核膜张力会增加，从而诱导肌球蛋白II募集至细胞皮质。通过这种机制，癌细胞利用其细胞核测量环境限制并快速调整其行为。三维高刚度凝胶（~30 kPa）由空间限制所引起的细胞核形变程度及有丝分裂缺陷均显著高于柔软凝胶（~5 kPa），这一不利影响可被发生转化的细胞所克服，而正常细胞则无法应对，这可能与二者在核机械转导机制上的差异有关。 细胞核可以独立于力传递机制（如细胞骨架和连接核骨架与细胞骨架复合体）感知力。这与许多其他发现（即基于细胞骨架的机械转导在响应施加于细胞表面的机械信号时至关重要）并不矛盾。相反，细胞骨架及相关蛋白在将力从胞外域传递到细胞核的过程中至关重要，但对于核机械感知并非必需。细胞核作为肿瘤力学生物学中机械传感器的概念正在积极研究中。首先，当肿瘤细胞通过开放顶通道迁移时，两侧壁的限制使 YAP 无法进入细胞核。然而，直接对细胞核施加压缩力会导致YAP在细胞核中积聚。需要进一步研究以探索细胞核是否具有机械异质性和各向异性，对不同核位置施加的力做出不同的反应。其次，健康细胞和癌细胞表现出不同的机械敏感性和不同的核力学特性。由于细胞核是关键机械传感器，健康细胞和癌细胞之间核机械感知的差异可能有助于整体细胞机械敏感性的差异，这需要在未来进行研究。 其他机械传感器/机械敏感蛋白。除了上述蛋白质外，还有许多其他在癌症中重要的机械传感器或机械敏感蛋白。代表之一是Caveolin-1，这是一种膜蛋白，直接与肌动蛋白帽连接，并在多种细胞类型中具有机械敏感性。低剪切应力通过CAV1-FAK和CAV1-ROCK信号通路增加乳腺癌细胞的迁移能力。CAV1的缺失会抑制剪切应力介导的增殖并诱导细胞死亡。20 mmHg的静水压通过CAV-1-ERK信号通路促进肺癌细胞迁移。 瞬时受体电位通道与黏着斑和细胞骨架相互作用。其中，TRPV4是一种Ca2+渗透通道，对机械信号敏感。通过TRPV4-PI3K/Akt信号通路，肿瘤细胞在弱限制环境中增殖，而在高度限制环境中则发生细胞周期停滞。此外，敲低TRPV4会减少乳腺癌细胞的迁移和侵袭，而过表达TRPV4则促进肌动蛋白解聚并降低细胞硬度。TRPV4的机械响应已被用于抑制肿瘤内皮细胞形成的异常血管生成。例如，与正常内皮细胞相比，TRPV4在肿瘤内皮细胞中表达下调。在370-Pa和2280-Pa的基质上，正常内皮细胞的铺展面积没有差异，而肿瘤内皮细胞在较硬的基质上显示出更大的铺展面积。在肿瘤内皮细胞中过表达TRPV4可以抑制异常血管生成、细胞铺展和迁移。与正常成纤维细胞相比，纤维肉瘤细胞表现出较低的TRPM7（另一种TRPP通道）和RhoA活性，并且对流体剪切应力的敏感性较低。它们的侵袭和内渗能力依赖于TRPM7蛋白。乳腺癌细胞在硬度逐渐增加的基质上（从1 kPa到30 kPa）产生逐渐增高的牵引力。抑制 TRPM7 蛋白会降低牵引力，并导致更少的间充质表型。 总结 肿瘤细胞通过机械转导过程与经典致癌信号相互作用。尽管癌症力学生物学已取得显著进展，但几个关键问题仍有待解决。 首先，机械刺激能够激活一系列不同于传统生化途径的蛋白质反应。例如，机械刺激不依赖于经典的上游Src即可激活Rac，而Src的活性对PDGF诱导的Rac激活至关重要。此外，机械信号可绕过Hippo通路调节YAP/TAZ活性。H1R属于GPCRs，是内皮细胞中的机械传感器，其拉伸诱导的激活不依赖于激动剂诱导。因此，机械转导信号可能不依赖于传统上游信号而干预致癌通路。正因如此，仅考虑经典致癌信号的抗癌药物需重新评估，因为联合靶向不依赖于传统信号通路的机械转导激活信号，可能会提高疗效。 其次，肿瘤细胞在肿瘤进展的不同阶段会遇到多种机械信号。活细胞感知并响应机械信号，并在一段时间内保留机械剂量历史的痕迹或机械记忆。因此，转移早期阶段的机械剂量可能会影响肿瘤细胞在后期对其他机械信号的机械敏感性和反应。因此，系统研究机械记忆对肿瘤细胞功能的影响及其在肿瘤转移中的潜在机制，对于阐明力学在癌症中的作用以及通过靶向机械信号预防转移瘤的形成至关重要。 第三，不同阶段的肿瘤细胞可能对多种机械线索表现出不同程度的机械敏感性。目前尚不清楚这些不同的反应是否是由肿瘤细胞在原发肿瘤部位或转移过程中获得的基因型和表型所预先决定的。我们假设，肿瘤细胞在进化过程中调整其机械敏感性，以适应转移不同阶段的特定机械环境。 第四，肿瘤细胞与健康细胞的命运（赢家或输家）似乎部分是由细胞间的相互作用力通过细胞间的力所决定的机械细胞竞争所决定的。TME和肿瘤细胞力学的改变是否影响肿瘤进展过程中的机械细胞竞争，仍有待阐明。 图4：用于在分子、细胞及组织尺度上，对活体系统中机械性质进行定量测量、成像与操控的生物物理学工具。A-D：用于施加机械力并测量机械性质的工具（见“多尺度力学测量工具”章节）。E-L：用于机械性质成像与测量的工具（见“体内测量肿瘤/组织/细胞硬度的工具”章节）。 癌症力学生物学研究的多尺度工具箱 多尺度力学测量工具 由于机械力对活细胞有重要影响，我们需要能够测绘和施加力的技术来深化对肿瘤力学的理解并设计有效的机械疗法。过去在力学生物学领域的努力已经发明了大量成像工具（表5）和力测量工具（表6），它们在多个尺度上具有广泛的空间-时间力范围和分辨率。本节中，我们重点介绍在细胞和组织中进行非破坏性、定量、高通量和长期测量的代表性力测量/施加技术（图4）。 表5生物成像工具特征的总结 分子水平的力学测量。荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,  FRET) 张力传感器和基于DNA发夹结构的传感器是两种代表性的力测量工具。FRET张力传感器可以测量单个分子上细胞产生的张力，灵敏度达到皮牛顿级别（10-12N; pN）。具体而言，该方法将两个荧光基团（供体和受体）通过一个机械敏感肽接头插入目标生物分子中。在张力作用下，肽接头的长度发生改变，影响从供体到受体的发射光转移。由此引起的FRET效率变化通过光谱偏移和供体与受体之间的荧光比率反映出来，从而提供定量的力估计。虽然灵敏度极高，但FRET张力传感器仅能测量较小的力范围（约1-10 pN）。这是因为较大的力会超过接头的承受范围，导致FRET效率的变化无法被准确检测。嵌入黏着斑蛋白两个结构域之间的FRET传感器已被用于量化乳腺癌细胞黏着斑内的张力，显示了黏着斑内张力大小与迁移潜力之间的相关性。 基于相似原理，DNA发夹传感器利用DNA发夹作为开关，在响应施加的张力时产生荧光变化。该传感器由可编程的茎环DNA发夹组成，发夹连接在荧光团-淬灭剂对之间。当发夹被超过特定阈值的张力展开时，淬灭剂和荧光团分离，荧光强度增加以报告力的大小。每个传感器可附着于单个受体上，整体荧光的增加与受力超过阈值的受体数量成正比，从而能够测量亚细胞水平的牵引力。 这两种传感器都无法确定细胞内力的方向。尽管如此，基于DNA的传感器极其敏感，其力和空间分辨率远高于大多数其他工具（表6）。此外，基于 DNA 的力学传感器对细胞生物学过程干扰较小，并且由于其在力阈值附近呈现近似二元化的响应特征，因而具有较高的信噪比。 表6多尺度力学测量工具在活体系统中的应用 亚细胞和细胞水平的力学测量。在亚细胞尺度，基于激光消融的测量可以推断张力：在消融微丝束后，初始回缩速度与已知材料属性的结构内部的张力成正比。然而，该技术无法测量压缩载荷。PTM是一种有效、无接触且非侵入性的方法。将荧光粒子注入细胞质或细胞核，并光学追踪它们的均方位移，据此可利用理论模型推导出周围微环境的粘弹性。PTM可以测量三维基质内或体内高度局部化的亚细胞区域的机械特性。其时空分辨率取决于成像系统和粒子特性（大小、数量和分布）。PTM测量显示，恶性胰腺和乳腺上皮腺癌细胞的胞质粘弹性低于其良性对应物。结合单粒子追踪和活体显微镜，PTM可以测量活生物体内细胞的物理特性。值得注意的是，正常细胞和癌细胞在体内比在二维培养环境中更不易变形。力谱显微镜结合了PTM和光镊，可以测量活细胞内的细胞力，并提供对细胞活动的洞察。例如，马达蛋白的聚集效应在细胞质中产生随机波动的力。FSM测量显示，良性细胞的力波动比恶性癌细胞低3倍。对于活体成像，由于需要将荧光粒子注入目标细胞，PTM仅适用于植入的非原生细胞。 在细胞尺度，已经开发了几种非侵入性的力测量工具（图4），包括基于几何形状的方法、三维牵引力显微镜、对激光消融的粘弹性响应以及分子力传感器的新应用。首先，多种基于几何形状的细胞力推断技术，通过利用曲线细胞边界和几何形状从图像堆栈结合数学模型推断力，其优势在于能够对动态过程进行非侵入性和长期测量。其中一个名为CellFIT的系统，使用图像堆栈结合数学模型估算二维和三维条件下的张力分布图。它可以使用三个细胞边界之间的角度确定三连接点处细胞边界的相对张力。通过拉普拉斯方程，CellFIT可以确定细胞内压力。另一种基于几何形状的方法依赖于“流体微滴变形”。将涂有细胞表面粘附配体的荧光油微滴嵌入细胞之间，细胞产生的力可以从微滴的变形非侵入性地量化。这些基于几何形状技术的一个局限性是，它们主要提供边缘力之间的比率，而非绝对值。其次，三维牵引力显微镜可以测量嵌入三维微环境中的单细胞或组织外植体产生的力。基质变形通过荧光珠的三维位移计算，并在已知基质材料属性的情况下用于计算细胞产生的力分布。该工具具有测量多细胞组织动态牵引力的理想能力。然而，它无法将细胞-细胞间力与细胞-基质间力解耦。第三，在激光消融细胞-细胞接触边界后，消融边缘顶点回缩的距离可以推断消融前细胞膜内的张力。第四，如果所测量的对象能够代表实际的细胞连接，则可以适当使用分子力传感器来测量细胞力。例如，在初始黏附过程中，张力计牵连器用于测量单个整合素-配体调节的细胞间黏附力（40 pN）。 此外，尽管具有分子尺度测量的能力，光镊和磁镊在癌症领域被广泛用于细胞尺度的力测量。光镊利用高度聚焦的激光束对物体施加辐射压力，空间和时间分辨率分别为0.1-2 nm和0.1 ms（图4）。聚焦激光束产生光学陷阱，因为介质与物体之间的折射率差异改变了光线的动量，对被捕获物体产生0.1-100 pN（1pN/10 mW的激光功率）。该技术具有低噪声、高通用性和广泛的应用范围等优点，但易受光学和温度扰动、潜在的光损伤和加热效应影响。光镊已被用于测量癌细胞的机械特性，并可能用于捕获CTCs。磁镊对附着在细胞上或细胞内的磁性颗粒施加磁场，产生2-4 nN范围的力。与光镊相比，磁镊可以产生更大的力范围。最近，我们使用磁性颗粒直接对细胞核施加力，并验证了细胞核的机械感知能力。 组织水平的力学测量。已经开发了多种方法来测量体内肿瘤组织中的IFP。首先，微孔室方法已在大鼠中测试，确定肿瘤中的IFP是正常组织的4-5倍。其次，荧光漂白恢复技术已在兔子身上用于测定IFP。第三，传感器尖端导管方法将嵌入传感器的针插入肿瘤核心。测得黑色素瘤小鼠的IFP为+3.6 mmHg，在敲除血管生成相关基因NG2的小鼠中则降至-0.3 mmHg。在宫颈癌和胰腺癌异种移植物中，腹侧和背侧位置的IFP不同。第四，磁共振成像可以测量患者和小鼠异种移植物中的IFP，空间和时间分辨率分别为0.23×0.23×2.0 mm3和14秒。另一种非侵入性方法是超声孔隙弹性成像，用于评估肿瘤中IFP的时空分布。最后两种方法测得的结果显示，肿瘤中的IFP比周围组织升高，且在肿瘤内部变化不大。总体而言，需要具有更高灵敏度的新非侵入性工具来评估肿瘤内部IFP的分布。 已经开发了几种方法来测量肿瘤中的实体应力（表7）。首先，平面切割法将肿瘤组织包埋在琼脂糖凝胶中，切割后组织通过释放实体应力和弹性能量而变形。切割平面的变形轮廓通过数学模型映射以计算机械应力。结果显示，乳腺和胰腺肿瘤的核心处于压缩状态，而外围处于拉伸状态。其次，切片法能够估算小肿瘤中的实体应力。将100-500 μm厚的肿瘤切片切下并分离，以便实体应力释放，导致切片弯曲和膨胀。表面积的变化被用于计算实体应力。测量显示，实体应力随肿瘤尺寸增加而增加，且弹性能量和组织硬度不一定相关。第三，针式活检法允许原位测量实体应力。在肿瘤中用旋转活检针创建一个直径1.5-3 mm的孔。随着实体应力随时间释放，孔发生变形并改变直径，这可以转化为实体应力。该方法用于测量小鼠脑肿瘤离体时的实体应力，揭示了最大径向压缩应力为0.02 kPa，而原位情况下为0.1 kPa。 总体而言，每种技术都有其特定应用。能够同时测量和操纵生物力学力的技术对于肿瘤力学生物学研究将极为有用。 表7正常组织与肿瘤组织中实体应力的测量方法 体内测量肿瘤/组织/细胞硬度的工具 在细胞和亚细胞尺度，细胞和细胞核硬度可以通过原子力显微镜、生物微机电系统、光学拉伸器、微滴管吸取法和布里渊显微镜测量（图4）。原子力显微镜和生物微机电系统生物传感器广泛用于测量局部细胞硬度或细胞核硬度。整体细胞硬度可以通过微流控装置和光学拉伸器测量，其中变形幅度指示细胞硬度。微滴管吸取法基于由微管直径和抽吸压力所控制的变形来量化细胞膜张力。这些技术采用不同的原理和数学模型，这可能是导致即使在同一肿瘤类型内报告的肿瘤细胞硬度也存在较大差异的原因之一。 在组织尺度，布里渊显微镜是一种可访问、非侵入性、免标记的光学工具，用于亚微米分辨率的力测量。基于自发声波对光散射的影响，该技术利用散射光的频移来确定纵向模量。刚性/软材料产生高/低频移。其局限性包括测量时间长（数十分钟至数小时），可能对活组织引入不良光毒性和热效应，以及光散射信号弱。布里渊显微镜已被用于识别肿瘤边界，并阐明健康组织、黑色素瘤组织和消退肿瘤之间弹性的差异。近期使用布里渊显微镜的证据表明，肿瘤细胞核在外渗后软化并保持柔软超过24小时，表明该技术可用于亚细胞尺度的硬度测量。弹性成像，包括USE和MRE，可用于非侵入性地测量体内组织硬度。USE有两个主要亚型：应变成像（strain imaging, SI）和剪切波成像(shear wave imaging, SWI)。SI利用外部超声刺激或内部生理运动在超声下诱导组织变形。施加的应力和引起的变形可用于计算组织的杨氏模量。SWI利用超声剪切波在目标组织中传播。剪切波速度可由超声探头测量，并根据组织密度计算组织的剪切模量。USE结合B型超声有助于肝脏、乳腺、前列腺、甲状腺、脑、肾和淋巴结肿瘤的临床诊断。例如，USE可以区分F3/F4期肝纤维化与F0/F1期，但无法用于诊断。然而，由于超声穿透能力有限（厘米尺度，最高100 μm空间分辨率），深部组织成像的准确性会降低。 在MRE中，通过在目标组织上施加50-500 Hz的机械振动（激发）以产生剪切波。剪切模量（μ）可由激发频率（ν）、组织密度（ρ）以及测得的剪切波波长（λ）计算得到，其关系式为 μ = ν2λ2ρ。基于对剪切波波长的成像及上述关系，可获得动态剪切模量图像。不同于USE，MRE通过引入剪切粘度项来表征完整的剪切模量复数形式。剪切黏度与剪切波能量的时间依赖性损耗相关，主要表现为剪切波在介质中传播过程中的衰减特征。MRE的空间分辨率通常为150-250 μm，且基本不受成像深度限制。MRE与USE在应用领域上具有相似性，但其准确性相当或更优，尤其适用于深部组织成像。MRE可用于绘制脑、肝脏及乳腺肿瘤组织的刚度分布，表征肿瘤的力学特性，并辅助癌症诊断。例如，体内MRE测量结果显示，肝组织刚度与纤维化的组织学分级呈正相关（纤维化评分为2和14时，组织刚度分别约为4 kPa和10 kPa），且在高纤维化评分患者中可通过活检检测到肝细胞癌。 光学相干断层扫描(Optical coherence tomography, OCT)弹性成像利用光散射特性和不同组织间折射率变化，产生硬度的二维/三维横截面分布。这种非侵入性、免标记的技术可用于体外、离体和体内，具有易于组织准备、无辐射的优点，这些是USE和MRE常遇到的挑战。然而，由于光学散射和吸收，OCT成像/弹性成像仅限于非透明组织1-2 mm的浅表成像深度，且采集时间长。OCT在横向和轴向方向上的分辨率通常为 1-20 μm。当与小型探头和导管结合用于内脏器官检查时，OCT弹性成像可以根据硬度差异区分肿瘤组织和正常组织。 目前，应用于临床乳腺癌图像的计算机视觉技术和癌症生物标志物分析相结合，可以自动从图像中预测癌症风险和预后。人工智能自动化了癌症检测和治疗评估过程，消除了人工密集解读图像和硬度结果的需求。然而，本综述中描述的所有工具尚未在临床上普遍使用，可能是由于其局限性和体内应用的困难。 类器官 类器官是体外自组装和功能化的三维微型组织结构。肿瘤类器官通常由来源于患者的肿瘤细胞及分泌模式因子（如EGF 和FGF）的CAFs共同构建，形成一个具有病理学相关性的三维微环境（图4），该环境包括基质和免疫细胞。尽管缺乏脉管系统，但该方法已在多种癌症类型中生成肿瘤类器官，例如结直肠癌、胃肠道癌、胰腺癌、前列腺癌、乳腺癌和肝癌。最近，已在乳腺和胰腺肿瘤类器官中开发出脉管系统。 近期研究已将生物力学因素纳入肿瘤类器官，例如微环境硬度、剪切灌注应力和细胞力学特性（表8）。如“原发肿瘤组织的力学改变”一节所述，肿瘤组织表现出结构改变，并且比其健康对应组织更硬。坚硬的明胶-苯酚水凝胶（剪切模量：14.3 kPa）能培育出比软凝胶剪切模量：2.6 kPa）更大的结直肠癌类器官，并具有更高的ITGA6表达。然而，硬度超过22.3 kPa的凝胶对肿瘤类器官体积和ITGA6表达的影响微乎其微。另一项研究报告称，坚硬的结直肠癌类器官失去间质表型但上调干细胞标志物，而软的类器官对化疗更具耐药性。一个潜在机制可能是化疗时，硬基质激活JNK信号诱导细胞凋亡，而软基质激活NF-κB信号抑制JNK信号。对于胰腺癌类器官，当基质硬度逐渐增加时（1.4、3.1、8.2 和 20.5 kPa），YAP转位至细胞核，促进类器官生长。除了基质硬度，在微流控装置中培养的肺癌类器官在动态灌注条件下相较于静态条件会上调CSC标志物。 与二维/三维培养和患者来源的肿瘤异种移植模型相比，肿瘤类器官具有独特的优势。首先，在二维培养方法中，只有一部分肿瘤细胞能够被选择用于持续增殖。与二维细胞培养相比，在三维ECM中培养的肿瘤细胞能更好地模拟微环境。然而，这种方法是否以及能在多大程度上维持体内肿瘤的真实特性仍不清楚。患者来源的肿瘤异种移植模型是一种广泛使用的体内模型，可以模拟肿瘤进展。然而，控制体内各种因素具有挑战性。将临床前研究发现从患者来源的肿瘤异种移植模型转化到临床仍然困难，因为小鼠和人类之间存在生理差异。相比之下，肿瘤类器官在体外复现了体内人类肿瘤的瘤内异质性，并在数月内保持遗传和表型特征。将人类免疫细胞与肿瘤类器官共培养可以更好地模拟体内肿瘤免疫微环境。其次，类器官模型可以更好地模拟肿瘤微环境，因为可以以可控的方式纳入机械因素，模拟肿瘤组织硬化和实体应力的积累。总体而言，这种新方法为癌症研究和药物开发提供了临床前肿瘤模型，尽管其需要耗时和消耗资源的实验，这限制了其更广泛的应用。 表8用于力学生物学研究的类器官模型 肿瘤力学生物学及未来的工具 当前章节（图4）描述的技术已应用于肿瘤力学生物学，提供了关于机械力在肿瘤生长和进展中作用的广泛知识。然而，由于癌症的复杂性以及力学生物学中缺乏更复杂的技术，我们对力学影响的理解仍处于起步阶段。遗传和表型异质性是癌症的一个标志，因此用于癌症诊断和治疗的生物标志物蛋白通常针对特定癌症类型/亚型在特定进展阶段。这对诊断精确性、治疗有效性以及这些生物标志物在不同癌症阶段和类型中的通用应用提出了挑战。相比之下，正如我们在前面章节所回顾的，源自大多数器官的癌细胞比其健康对应细胞更软，而肿瘤组织通常比健康器官更硬。我们提出，这些肿瘤细胞和组织的生物物理特征可能被用作诊断和治疗的通用力学标志物，优于基于生物标志物的方法。为实现这些目标，开发前瞻性的力学生物学工具至关重要，这些工具能够安全、非侵入性、深部组织穿透且长期地实现体内单细胞和组织尺度的硬度测量。此类工具可以定期扫描患者，以检测异常的特异性，即细胞和组织力学硬度的不连续值。结合液体活检，可以增强早期肿瘤检测和转移预测的效能和准确性。 此外，运动的癌细胞在肿瘤前沿形成侵袭小突起并产生主动收缩力。我们提出，细胞产生的主动力可以作为另一个力学标志物，区分侵袭性癌细胞与周围的良性和健康细胞。当前能够定量测绘二维/三维条件下细胞收缩力的技术大多适用于在合成凝胶或微柱阵列上培养的细胞。迄今为止，尚无方法允许测量三维组织内单细胞的牵引力。我们相信，能够实现体内细胞力测绘的新技术将有益于早期肿瘤检测和诊断。此外，这些技术可以指导药理治疗靶向癌细胞或局部组织，并在为时已晚（即远处扩散）之前评估其疗效。 机械医学与机械治疗 已开发多种治疗方式用于治疗癌症，包括手术切除、放疗、化疗和免疫治疗。然而，它们的一个典型局限性是特异性差：由于缺乏仅针对癌细胞的特异性标志物，它们常常同时靶向癌细胞和健康细胞。免疫治疗在靶向特异性方面有所改善，但由于免疫反应过度激活或错误导向，仍可能对健康细胞产生作用。 已发现一些癌症生物标志物可在有限条件下特异性靶向肿瘤细胞，如CD123、CLL-1和PD-1。然而，这些生物标志物大多只能识别一种特定的癌症类型或亚型，并且通常在肿瘤进展过程中发生变化。因此，识别不同癌症类型在不同阶段的通用标志物对于靶向癌症治疗至关重要。在前面的章节中，我们总结了TME、肿瘤组织和肿瘤细胞相较于其健康对应物的不同机械特征。许多这些机械特征（如硬度）和生物物理特征（如pH值）似乎在不同癌症类型中普遍存在，为癌症机械诊断和机械治疗提供了潜在的靶点。本节中，我们将靶向这些机械特征和机械转导信号的机械医学分为四大类，并讨论有前景的机械治疗思路（表9）。 表9通过靶向肿瘤不同力学特征的潜在机械医学及癌症治疗策略 靶向肿瘤组织硬度 多种癌症类型，包括乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌和肝癌，显示出肿瘤组织硬化，这表明高组织硬度是癌症的一个机械标志。一些开创性尝试已经利用这一独特标志进行癌症治疗。例如，减少LOX介导的胶原交联可防止组织纤维化和硬化，降低FAKp7397，并在体内阻碍乳腺肿瘤进展。迄今为止，几种靶向肿瘤微环境力学的药物正在进行临床试验。Fresolimumab（一种抗TGF-β抗体）正在研究其抗纤维化效果，结合放疗用于治疗IA-IB期非小细胞肺癌。M7824（一种同时阻断PD-L1和TGF-β通路的融合蛋白）可降低小鼠肿瘤中α-平滑肌肌动蛋白的表达。与同型对照相比，M7824治疗的肿瘤显示出胶原网络纤维更细、密度更低。M7824治疗还抑制了小鼠模型中自发性乳腺癌转移。PHD2抑制剂DMOG可抑制CAF活性，降低肿瘤硬度，并在小鼠乳腺肿瘤模型中抑制CAF介导的肺和肝转移。 此外，ECM蛋白(如胶原蛋白、纤维连接蛋白、层粘连蛋白）表达升高和硬度增加会促使多种癌症类型产生耐药性，这提示靶向ECM的硬度和组成可能克服化疗耐药性。肾素-血管紧张素系统抑制剂（如氯沙坦和雷米普利）已被用于减少成纤维细胞收缩并重塑ECM组成，从而降低肝转移瘤的组织基质硬度。软化的组织增加了贝伐珠单抗的抗血管生成效果，并通过抑制内皮细胞增殖和改善药效有效延长患者生存期。 靶向肿瘤组织力学特性还可以促进CRISPR/Cas系统的递送，并增强癌症治疗的基因编辑效果。脂质纳米颗粒递送的FAK siRNA和CRISPR-PD-L1通过降低肝癌ECK硬度增强基因编辑效果，从而抑制体内肿瘤生长并延长荷瘤小鼠的生存期。 坚硬的肿瘤特异性微环境已被用于癌症治疗。例如，YAP/TAZ信号被用于建立机械响应性细胞系统。当该系统遇到ECM硬度增加的乳腺癌转移灶时，YAP/TAZ转位至细胞核，激活机械敏感性启动子，驱动下游基因胞嘧啶脱氨酶的转录。因此，胞嘧啶脱氨酶仅在硬度高的转移灶将无毒性前药5-FC转化为细胞毒性5-FU。该系统特异性靶向坚硬的肿瘤组织，而保持柔软的健康的组织不受影响，从而限制脱靶毒性。该系统提供了一个适应性平台，通过靶向肿瘤部位改变了的生物物理特性，在体内选择性地识别和治疗癌症转移。 靶向肿瘤特异性机械转导通路 靶向肿瘤细胞中异常的机械转导信号，有可能通过重新规范化细胞的机械反应来降低恶性程度并消除肿瘤细胞。多种类型的癌细胞的刚度感知能力远低于其健康细胞，这是因为它们缺乏收缩单元（包括细胞骨架蛋白（肌球蛋白IIA和肌动蛋白2.1（Tpm 2.1）以及激酶（EGFR、HER2 和 ROR2）。多项研究提供了直接证据，表明恢复癌细胞的机械敏感性可阻碍肿瘤生长。通过重新表达细胞骨架蛋白恢复刚度感知能力，可阻止癌细胞在软琼脂中形成集落，并抑制体内肿瘤形成。在胶质母细胞瘤肿瘤起始细胞中过表达RhoA的组成型活性突变体，可恢复其对ECM硬度的机械敏感性，通过增加肌球蛋白依赖性收缩力延缓其在软ECM上的运动，并抑制体内肿瘤侵袭。过表达机械敏感性离子通道TRPV4可恢复肿瘤内皮细胞的基质硬度敏感性并减少其迁移。通过GSK1016790A对肿瘤内皮细胞中的TRPV4进行药理学激活，可在体外使血管管腔形成恢复正常，并在体内抑制肿瘤血管生成，从而在与顺铂联合使用时降低肿瘤生长。这些结果启发我们开发新的癌症疗法，通过靶向肿瘤和基质细胞对其机械微环境的机械敏感性，来抑制癌细胞的迁移和侵袭。 对肿瘤进展至关重要的机械转导通路为癌症治疗提供了新靶点。坚硬的凝胶促进由热处理后残留的肝细胞癌细胞生成的肿瘤在裸鼠中的生长，这与刚度依赖的ERK磷酸化相关。维生素K1与索拉非尼联合治疗可降低ERK磷酸化，并抑制残留肝细胞癌细胞在体内受硬度介导的生长。坚硬的ECM介导的YAP/TAZ是受体酪氨酸激酶/Ras诱导的健康细胞向肿瘤前体细胞转化所必需的。因此，靶向机械敏感性的YAP/TAZ信号通路，可能有助于减少癌基因诱导的肿瘤发生。少数对紫杉醇耐药的癌细胞向多数对紫杉醇敏感的癌细胞传递机械力，会提升后者的收缩力、粘附强度和耐药性。通过FAK抑制剂VS-4718减少力传递，可恢复肿瘤细胞对紫杉醇的敏感性，从而提高治疗效果。几种靶向肿瘤机械转导通路的药物和生物制剂已获FDA批准或正在进行临床试验。 肿瘤细胞对TME的反应也被用来增强新的机械医学。当肿瘤细胞迁移通过狭窄空间时，其核膜会发生破裂，导致染色质突出、核碎裂和DNA损伤。运输所需的内体分选复合体III(ESCRT III)蛋白被募集以恢复核膜完整性。同时抑制ESCRT III介导的核膜修复和ATM激酶介导的DNA损伤修复，可在核膜破裂后促进细胞死亡，这可用于杀伤在穿透致密肿瘤ECM以及内渗/外渗过程中的扩散肿瘤细胞。另一项研究中，生长诱导的压缩会导致核膜破裂和慢性DNA损伤，从而增加了人乳腺癌细胞的侵袭性。沉默TREX1可减少体外胶原降解和体内肿瘤侵袭，表明其在抑制压缩诱导的侵袭方面具有潜力。这些结果表明，在通过抑制核膜和DNA修复来靶向受机械限制的肿瘤细胞时需要谨慎，因为存活的肿瘤细胞可能变得更具侵袭性。 此外，有研究已证明机械拉伸能够杀死癌细胞，同时促进正常细胞在体外的生长，其机制是通过机械敏感的 Piezo1 介导的钙信号传导实现的。另一项研究表明，身体拉伸通过激活免疫反应来减少体内肿瘤生长。事实上，体育锻炼可增加肿瘤血流量并减少肿瘤缺氧，由此产生的高血液剪切应力可杀死更多的CTCs。瞬时压缩可逆转恶性乳腺细胞的表型，并使肿瘤集落的生长和发育恢复正常。然而，在小鼠结肠肿瘤的早期发育阶段，由肿瘤生长施加的慢性机械压力会激活周围健康上皮细胞中的致瘤性β-连环蛋白通路，形成肿瘤性异常隐窝病灶。人体器官芯片模型的体外研究显示，在模拟原位肺癌模型中，机械呼吸运动抑制肿瘤细胞生长和侵袭，但会增加耐药性。因此，利用机械刺激进行癌症治疗需要考虑两个层面：（1）选择合适的力剂量，以充分利用其有益效应，同时最大程度避免对患者的副作用；（2）将机械疗法与化疗结合，以避免相互矛盾的效果。 最近一项研究表明，超声波可通过诱导Piezo1调控的钙离子内流并激活钙蛋白酶依赖性线粒体通路，特异性引起肿瘤细胞凋亡。另一项研究中，改造的CAR-T细胞被设计为表达机械敏感的Piezo1通道和遗传传感器。这套分子系统将超声波产生的机械扰动转化为预设的遗传活动，以控制CAR-T细胞的时空激活，引导其在体内杀死目标肿瘤细胞。进一步，聚焦超声可逆且精确地控制CAR-T细胞的抗癌功能，以抑制肿瘤生长。这些结果为开发更可控、创伤更小的癌症机械疗法提供了可能。 靶向肿瘤细胞和细胞核的低硬度 肿瘤细胞硬度通常较低且与其恶性程度呈负相关，这提示通过靶向其低硬度来特异性治疗癌症的可能性。已合成一种药物4-羟基苯乙酮（4-HAP），可通过增强肌球蛋白IIC的皮质定位来增加肿瘤细胞的皮质张力并减少细胞可变形性。4-HAP处理可减少侵袭性胰腺/结肠癌细胞的体外侵袭和迁移，以及转移性肝癌细胞的体内侵袭。另一种药物Jasplakinolide（Jasp）通过促进肌动蛋白聚合增加TRCs的硬度。Jasp给药可阻碍癌细胞在三维基质中的迁移以及TRCs在斑马鱼血管系统中的外渗。柔软的TRCs通过阻止细胞毒性T淋巴细胞（cytotoxic T lymphocytes, CTL）释放的穿孔素在细胞膜上钻孔，从而逃避其介导的杀伤。Jasp处理可增加细胞硬度以及穿孔素在膜上形成的孔，从而在小鼠模型中使CTL介导的TRCs杀伤提高2倍以上，这提高了免疫治疗的疗效。 此外，恶性肿瘤细胞或CSCs具有高致瘤性、耐药性，并且比恶性程度较低的肿瘤细胞软得多。近期研究表明，细胞的柔软度可能比传统的细胞表面标志物（如CD133和ALDH）更能特异性地作为肿瘤发生和转移肿瘤细胞的标志物。探究低细胞硬度是否决定肿瘤细胞的恶性程度日益受到关注，因为此类研究可能会通过使恶性细胞或CSCs变硬来开发用于癌症治疗的新型机械药物然而，有报道称几种癌细胞的耐药能力与其细胞硬度呈正相关，这提示硬化这些癌细胞可能会降低化疗效果。因此，在单独针对癌细胞柔软度进行癌症治疗时必须谨慎。 与硬化肿瘤细胞的努力并行，癌细胞低硬度已被用于提高化疗疗效。由于高度柔软（可变形），TRCs可通过一种未知的非吞噬作用途径高效摄取含有抗肿瘤药物的肿瘤细胞源性微粒（T-MPs）。载药的T-MPs可在体内有效清除TRCs，并延长荷瘤小鼠的生存期，提示了一种对抗耐药的新方法。我们最近的证据表明，乳腺CSCs的柔软度部分通过激活网格蛋白/小窝介导的内吞作用，促进了与化疗药物结合的氮掺杂石墨烯量子点的摄取，从而促进了这些软CSCs的特异性清除。这些数据提示了将药物靶向递送至恶性和柔软肿瘤细胞的新途径。 肿瘤细胞核的柔软性有利于其在致密肿瘤基质中侵袭以及在内外渗过程中穿过狭窄的内皮细胞连接。肿瘤细胞核在跨内皮迁移期间和之后会变软。通过重组过表达Δ50核纤层蛋白A使细胞核硬化，可抑制黑色素瘤细胞的侵袭。这些数据表明，靶向肿瘤细胞核的柔软性具有抑制癌症转移的潜力。 靶向肿瘤血管系统的力学特性 为了使肿瘤血管恢复到正常状态（即变得规整且不渗漏），研究人员开发了多种药物来减轻对肿瘤血管施加的机械压力、增强药物输送效果，并降低缺氧程度。抗纤维化药物吡非尼酮（PFD）被包装在基于亚胺的共价有机框架中(COFTTA-DHTA)，并用聚乳酸-羟基乙酸共聚物-聚乙二醇装饰(PLGA-PEG)，制备成PFD@COFTTA-DHTA@PLGA-PEG（PCPP）。该制剂选择性地在肿瘤区域积累并原位释放PFD，下调ECM中的透明质酸和I型胶原。此方案减少了肿瘤微血管的机械压力，使有效血管面积密度加倍，并在体内改善了肿瘤的氧气供应，从而提高了治疗效果。另一种血管紧张素抑制剂氯沙坦通过减少基质胶原和透明质酸的产生，降低乳腺和胰腺肿瘤小鼠模型中的实体应力并解压缩血管，促进了药物和氧气向肿瘤的递送。类似地，抗纤维化药物曲尼司特和PFD通过减少肿瘤组织中的胶原和透明质酸来减轻实体应力，从而缓解血管压力，提高化疗和纳米药物的疗效。 此外，研究发现CXCL12/CXCR4信号通路促进乳腺癌原发和转移TME中的纤维化。在小鼠模型中用AMD3100抑制CXCR4，可减少活化的CAFs向TME的募集，并进一步降低实体应力。AMD3100治疗可解压缩肿瘤血管并减少缺氧。最近的研究表明，减少血管压迫有助于光敏剂的递送，并增强光动力疗法的疗效。TGF-β抑制剂LY2157299减少胶原沉积并释放肿瘤血管上的机械压力。这一过程增加了羟乙基淀粉-二氢卟酚e6共轭自组装纳米颗粒(HES–Ce6 NPs)作为光敏剂向肿瘤组织的渗透，并增强了光动力疗法的疗效。减少肿瘤中实体应力的机械疗法已与化疗结合，目前正在进行II期临床试验。这些结果展示了通过减少血管上的实体应力来增强药物、纳米颗粒和氧气向肿瘤递送的新型机械医学的潜力。然而，对肿瘤球体的体外研究显示，37.5-120 mmHg 的实体应力（高于肿瘤血管中的血压）可抑制癌细胞的生长，抑制增殖，并诱导细胞凋亡。因此，对于实体应力较高（37.5-120 mmHg）的癌症患者，应谨慎考虑相关干预，因为降低实体应力可能产生不利影响，并反而促进肿瘤生长。 前列腺素E1（PGE1）可降低IFP并增加肿瘤中毛细血管向间质的51Cr-EDTA摄取，从而增强化疗药物向肿瘤的递送，抑制大鼠结肠癌和乳腺癌的生长。血管破坏剂ZD6126减少血流、氧含量和IFP，诱导小鼠纤维肉瘤和人宫颈癌核心的细胞坏死。另一种血管破坏剂康普瑞汀磷酸二钠(CA4DP)可减少肿瘤灌注和IFP。空间稳定的脂质体SSL-IMA通过抑制PDGFR-β的磷酸化抑制成纤维细胞增殖和血管形成，进一步使IFP降低42.37%，从而提高阿霉素在黑色素瘤中的抗肿瘤疗效。血管内皮生长因子抑制剂可降低微血管密度和肿瘤IFP，促进药物渗透并延缓肿瘤生长。高频超声可影响血流灌注并降低肿瘤IFP：（a）3 MPa-USMB将IFP从17.7 mmHg降至12.9 mmHg；（b）5 MPa-USMB 将IFP从15.3 mmHg降至9.8 mmHg。此外，基于g-C3N4介导的光激活水分解过程，构建了一种“纳米淋巴”系统，可降低肿瘤组织间质液体体积，使肿瘤 IFP 在体内降低37.89%，同时增强血流灌注和药物向肿瘤中心的渗透，从而缓解肿瘤缺氧状态。 此外，已利用血管系统中的机械信号来消除CTCs。由于 CTCs 在剪切流中通过E-选择素（E-selectin， ES）与内皮细胞发生黏附性相互作用，因此将E-选择素与肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（tumor necrosis factor (TNF)-related apoptosis inducing ligand, TRAIL）共轭的脂质体可用于在循环剪切应力下杀伤癌细胞，其机制是通过结合细胞表面的死亡受体4和5。值得注意的是，ES/TRAIL 脂质体可增加循环中的 COLO 205 细胞在进入小鼠肺前后的凋亡，同时功能化白细胞以靶向并清除循环中的CTCs，而不会引起明显的白细胞死亡。 除了这四大类机械医学（表9），还需要从其他生物力学角度开发新的机械疗法来对抗癌症。一方面，通过微流控通道挤压细胞产生的机械变形可瞬时破坏细胞膜并促进大分子细胞内递送，这可用于增强化疗药物的递送。最近的研究发现，TRCs分泌的微粒比常规肿瘤细胞分泌的更软。这些软微粒显示出增强的穿透血管壁能力和在肿瘤组织中的积累，这提示了一种改善药物递送效率的新机械医学策略。这些发现为开发将药物递送至肿瘤细胞的新型机械方法提供了可能。另一方面，利用成纤维细胞的趋硬性，最近的一项研究表明，抑制微管动力学可有效抑制成纤维细胞在硬化基质上的分化以及随之而来的肺纤维化，为抗纤维化治疗提供了新靶点。肝纤维化的体外模型显示，机械转导调控的血管生成以阶段依赖性方式诱导纤维生成。此外，最近对小鼠肌肉再生的研究表明，适当的机械刺激通过促进中性粒细胞清除和减少促炎细胞因子/趋化因子来改善肌肉愈合和再生。这些数据将机械疗法与免疫治疗联系起来，并有可能应用于肿瘤治疗。总之，这些进展启示了通过干预机械转导过程来对抗癌症相关纤维化的非传统靶点和策略。 总结与展望 由于篇幅限制，本文可能未引用一些相关的优秀文献。本综述未涵盖快速发展的领域，如外泌体在原发肿瘤和转移前微环境中的作用、肿瘤相关巨噬细胞在原发病灶中的力学生物学功能、基于新抗原的免疫编辑/免疫治疗（靶向癌细胞亚群）、肿瘤微生物组以及靶向葡萄糖和谷氨酰胺的肿瘤代谢治疗。这些都与本文讨论的肿瘤生物物理学高度相关，值得作为其他综述的主题。