物理所等在體外構建出腫瘤細胞侵襲組織的三維模型

　　癌癥的最大致命性之一在于腫瘤細胞臨床上的轉移性。腫瘤細胞侵襲和轉移過程的研究對于深入理解癌癥的致命機理，探索更為有效的治療手段至關重要。但是腫瘤細胞的侵襲環境和轉移過程尤為復雜。如圖1所示，腫瘤細胞侵襲的“戰場”不僅是一個三維的微環境，而且腫瘤細胞不是單一行動，而是作為群體從營養少、空間狹小等生長條件相對較差的環境，向營養豐富、空間充裕的微環境（如血管等）侵襲。現有的癌癥生物實驗通常是在培養皿中進行的，其二維生長環境已不足以模擬腫瘤細胞的空間侵襲。倘若能夠在活體外構建出腫瘤細胞侵襲的三維物理模型，對于研究細胞侵襲過程中的群體生物行為，理解癌癥轉移性的機理都具有十分重要的意義。

　　在過去一年，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）軟物質物理重點實驗室的劉靂宇特聘研究員與美國普林斯頓大學Robert Austin教授、Moffitt癌癥研究所的Robert Gatenby合作，利用微加工工藝在體外構建出一種模擬腫瘤細胞侵襲的三維微環境（如圖2所示）。研究人員通過在該三維微環境中構建葡萄糖營養梯度并放置熒光轉染過的乳腺癌細胞，同時結合生物共聚焦成像技術，定量比較了轉移性腫瘤細胞MDA-MB-231和非轉移性腫瘤細胞MCF-7的侵襲特性，并得到在特定葡萄糖濃度梯度下癌細胞進行侵襲的三維軌跡視圖（圖3）。

　　在此研究過程中得到了如下的重要發現：1）葡萄糖等濃度梯度將誘導轉移性腫瘤細胞侵襲三維外基質，而非轉移性腫瘤細胞則不受影響。這也證實了沃伯格效應(Warburg Effect)，即細胞的新陳代謝途徑從線粒體中丙酮酸氧化的有氧呼吸轉變為細胞質中乳酸發酵的低能量效率的厭氧途徑，惡性腫瘤內部因此呈現較高的酸性和低含氧量。隨著時間的推移，腫瘤的內壓力增大，將促使腫瘤細胞適應高壓力的環境并尋求新的微環境，導致腫瘤細胞的轉移。2）腫瘤細胞群在侵襲細胞外基質時，領頭細胞(leading cells)出現了交換周期性交換位置。研究人員認為，這可能表明細胞之間存在著相互協作的博弈行為；3）細胞外間質中摻雜著的熒光顆粒表明，細胞群在侵襲過程中產生了力場。與以前所估計的排斥力相反，這種對細胞外間質的合力是指向細胞群自身的收縮力，并進一步證明腫瘤細胞在侵襲過程中“拉扯”細胞外基質(如圖4)。

　　相關結果發表在《美國國家科學院院刊》上【Proc. Natl. Acad. Sci. USA 10.1073 (2013)】。該工作得到了中國科學院“百人計劃”項目的資助。

圖1 轉移性乳癌細胞侵襲組織向血管轉移過程的示意圖

圖2 (A)根據微加工工藝建立的活體外腫瘤細胞三維侵襲的物理模型;(B)共聚焦顯微鏡探測到的在模型中形成了穩定葡萄糖梯度。

圖3 共聚焦顯微鏡下乳腺癌細胞入侵細胞外基質的三維重構圖像。(A)共聚焦顯微鏡所拍攝的腫瘤細胞在細胞外間質中的原始圖像(垂直于紙面方向); (B)合成三維圖像的側視圖顯示轉移性腫瘤細胞MDA-MB-231在葡萄糖梯度下隨時間向縱向侵襲(紅色);(C)在無葡萄糖梯度時，MDA-MB- 231細胞停止侵襲;而盡管有葡萄糖梯度，非轉移性腫瘤細胞MCF-7依然不侵襲。

圖4 在細胞外基質中混入直徑約2微米的熒光顆粒后顯示MDA-MB-231細胞群侵襲對外基質造成了明顯的收縮。