固相應力在腫瘤中的研究進展

金嘉成?王銳?王士銘?藍蘭?王建伯

【摘要】近幾十年來，腫瘤微環(huán)境（TME）作為腫瘤發(fā)生、發(fā)展、免疫逃避和治療反應的關鍵而成為腫瘤研究的熱點。而作為腫瘤微環(huán)境中的物理特性，“固相應力”可由周圍正常組織從腫瘤外部施加產生，也可由腫瘤本身生長而引起。隨著腫瘤的生長，固相應力會通過生化-物理機制破壞周圍組織的結構和功能，并促進腫瘤的發(fā)生和腫瘤治療的抗性。該文針對固相應力在腫瘤中的發(fā)生機制及相關進展進行綜述，探討惡性腫瘤生物學和物理學之間的聯(lián)系，為新型藥物研發(fā)和腫瘤治療策略制定提供參考。

【關鍵詞】固相應力；腫瘤微環(huán)境；生物力學；力學刺激；力學信號轉導

Research progress on solid stress in tumors Jin Jiacheng， Wang Rui， Wang Shiming， Lan Lan， Wang Jianbo. Department of Urology， the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University， Dalian 116011， China

Corresponding author， Wang Jianbo， E-mail： wangjianbo@dlmedu.edu.cn

【Abstract】In recent decades， tumor microenvironment （TME） plays a significant role in tumorigenesis， progression， immune evasion， and therapeutic response， which has become a hot topic in tumor research. As a physical feature of TME， “solid stress” can be applied from the outside by surrounding normal tissues or caused by the tumor itself due to its growth. As the tumor grows， solid stress will destroy the structure and function of surrounding tissues through biochemical-physical mechanisms and promote tumor occurrence and treatment resistance. In this article， the mechanism and related progress on solid stress in tumors were reviewed and the association between cancer biology and physics was investigated， aiming to provide reference for the research and development of new drugs and treatment strategies for cancer.

【Key words】Solid stress； Tumor microenvironment； Biomechanics； Mechanical stimulation； Mechanical signal transduction

固相應力是包含在細胞和細胞外基質（ECM）中的機械力，可通過細胞和ECM的固體及彈性元件傳遞［1］。作為腫瘤微環(huán)境機械特性之一，它既可由周圍正常組織從外部施加，又可由腫瘤本身生長誘導而產生，并隨著腫瘤生長對周圍組織的壓迫而升高［2］。目前可檢測出人體的應力大小范圍從膠質母細胞瘤的<100 Pa（0.7 mmHg）到胰腺導管腺癌（PDAC）的10 000 Pa（75 mmHg）［3］。在腫瘤微環(huán)境中，固相應力扮演著重要的角色。一方面，固相應力會改變癌細胞的行為，如增殖、侵襲和凋亡，并且是影響惡性腫瘤發(fā)展過程的重要因素之一；另一方面，固相應力使附近血管和淋巴管塌陷，導致相應組織缺氧并且阻礙藥物在細胞外液中的運輸［4］。該文就腫瘤固相應力的起源、發(fā)展及臨床價值進行綜述，為實體瘤的臨床治療提供新思路。

一、固相應力的產生機制與性質

1. 外部施加的固相應力

在腫瘤微環(huán)境中浸潤、增殖和基質沉積會引起組織體積增加，在有限空間內擠壓腫瘤和周圍組織中的彈性結構而產生固相應力［5］。當腫瘤患者經(jīng)過治療后，實體瘤體積減小，導致固相應力下降。與以邊界清楚的結節(jié)狀生長的腫瘤相比，其他內聚性較低而呈現(xiàn)浸潤式生長的腫瘤，通過尋找阻力較小的路徑，或通過細胞毒性和蛋白酶活性創(chuàng)造空間，來穿透正常組織的方式生長往往具有相對較小應力的特點［5-6］。

2. 生長誘導的固相應力

腫瘤生長過程中內部實質與基質相互作用而產生生長誘導應力［4］。將腫瘤從活體中完整地分離出來，由內部生長產生的固相應力仍然存在，所以又稱為生長誘導的殘余應力，占腫瘤總固相應力低于30%［7］。ECM成分，如膠原蛋白和透明質酸，會根據(jù)其機械性能而儲存和傳遞固相應力［8］。此外，當成纖維細胞、免疫細胞和腫瘤細胞移動及試圖修復結構損傷時，可通過肌動蛋白收縮胞內成分，細胞收縮產生的張力使ECM成分收縮，從而在腫瘤相應的部分產生張力通過其他成分的壓縮來平衡［2］。

3. 固相應力的性質

實體腫瘤切開后被用于測量儲存的彈性能量，由差異生長產生的固相應力導致內部組織的各向同性壓縮與腫瘤塊相切的張力增加，腫瘤的平面切割顯示外圍收縮和中央組織凸出的形狀［9］?？傊?，這些研究證實固相應力的積累是實體瘤中的常見現(xiàn)象，并表明腫瘤中的差異性生長及其固相應力分布的不均一性。

二、固相應力對腫瘤細胞的影響

1. 固相應力對腫瘤細胞增殖與凋亡的影響

1997年Helmlinger等（Jain教授團隊）［1］首次認識到固相應力對腫瘤細胞的影響，發(fā)現(xiàn)累積的固相應力會抑制腫瘤球體的生長，而在細胞水平上僅觀察到凋亡率的輕微下降，并未發(fā)現(xiàn)對增殖的影響。Cheng等（2009年）在隨后的一項研究中發(fā)現(xiàn)，腫瘤球體中高固相應力區(qū)域的細胞增殖受到抑制、凋亡率增加，并且證明了限制組織的力學性質的不均一性可通過誘導高應力區(qū)域的細胞凋亡，以及允許低應力區(qū)域的細胞增殖的方式來引導腫瘤生長的形態(tài)變化，而非依賴于細胞遷移。固相應力導致人體腦腫瘤細胞和結腸癌細胞的增殖能力下降［10］。影響增殖與凋亡的機制可能是由于腫瘤細胞有絲分裂受到抑制。因為HCT116結直腸癌細胞在空間限制施壓下由于雙極紡錘體異常而在腫瘤球體中停滯分裂［11］。但具體機制尚不清楚，有待進一步探索。總而言之，腫瘤球體的機械限制會導致固相應力增加，從而抑制細胞增殖并促進細胞凋亡。

2. 固相應力對腫瘤細胞遷移與侵襲的影響

除了調節(jié)腫瘤細胞的增殖和凋亡外，固相應力還影響細胞遷移與侵襲。施加于乳腺癌細胞的固相應力促進了先導細胞的形成［12］。而先導細胞通過創(chuàng)造侵襲軌跡、感知環(huán)境以及在生物化學和生物力學上與跟隨細胞協(xié)調來促進惡性腫瘤的侵襲［13］。此外，Kalli等［10， 14-15］在膠質瘤細胞和胰腺癌細胞中也證明了在固相應力的作用下細胞遷移能力提高。但這些影響取決于不同的細胞類型，因為非腫瘤細胞和非浸潤性腫瘤細胞不具備良好的遷移能力［16］。有學者認為，腫瘤細胞在組織微環(huán)境形成的固體界面的限制下遷移時往往會消耗更大的能量，而能量需求與細胞和基質的剛度相關［17］。因此，腫瘤細胞在固相應力下遷移的方式更為靈活，并受到諸多因素的影響。

3. 固相應力對腫瘤代謝的影響

腫瘤的發(fā)生依賴于細胞代謝的重編程，這是致癌基因突變的直接和間接結果。細胞可以通過整合素受體感知ECM的力學性質，并通過調節(jié)肌動蛋白細胞骨架的收縮性來測量固相應力等力學特性，進而通過調節(jié)細胞內信號通路完成細胞代謝的重編程［18］。在較為堅硬的ECM上，泛素連接酶TRIM21被應力纖維捕獲導致磷酸果糖激酶（PFK）無法降解；而在硬度較低的ECM上，TRIM21能夠通過靶向PFK進而減少腫瘤細胞的糖酵解［19］。不同細胞骨架張力的脂質組學也表明，在硬度較低的ECM上，SREBP介導的脂肪生成程序更傾向于中性脂質（甘油二酯和甘油三酯）及膽固醇的積累，最終導致脂滴形成增加［18， 20］。由于腫瘤會增加ECM的硬度，進而改變惡性腫瘤細胞的生物學功能，這使固相應力調節(jié)細胞新陳代謝的假設成為現(xiàn)實。

近年Hanahan［21］在“Hallmarks of cancer”先前版本的基礎上新引入4個腫瘤標志性特征，為腫瘤學研究提供了新維度。但目前腫瘤固相應力的相關研究僅僅涉及為數(shù)不多的腫瘤表型，還需將生物力學的研究拓展到更多表型。此外，目前尚不清楚在組織微環(huán)境中什么條件下會觸發(fā)實體腫瘤的表型改變，這值得進一步研究。

三、固相應力在臨床中的應用

如今，研究者已經(jīng)在各種腫瘤中觀察到腫瘤生物力學特性的不利影響。固相應力的增加可以壓垮附近的血管和淋巴管［22-23］。異常的脈管系統(tǒng)不僅阻礙藥物輸送，而且由此產生的缺氧環(huán)境也促使腫瘤侵襲、轉移、免疫抑制、炎癥、纖維化和治療抵抗［24］。人們對物理微環(huán)境在惡性腫瘤中的作用日益重視，從而為患者帶來了新的靶點和治療策略。

目前的治療策略可分為兩種：調節(jié)腫瘤的機械環(huán)境；調節(jié)機械應力相關通路。首先，可通過靶向消除腫瘤細胞使細胞密度降低或降解基質成分及減少纖維化，從而使腫瘤受到施加的壓力得以釋放，進而改善了藥物傳遞和療效［22， 25］。異常的腫瘤微環(huán)境已被確定為對免疫檢查點阻滯劑產生抗性的原因之一［26］。通過應用抗血管內皮生長因子（VEGF）抗體和腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制劑使血管正?；瘉戆邢蚰[瘤微環(huán)境的非免疫成分，代表了一種克服免疫檢查點阻滯劑耐藥性的臨床轉化策略［26-30］?！澳[瘤基質的正?；笔且环N新興治療策略，已在局部晚期（即非轉移性）促纖維增生性胰腺癌的Ⅱ期試驗中成功地應用，成為“潛在治愈性”治療（圖1）［31］。使用“機械療法”來誘導基質正?；?，涉及靶向腫瘤相關的成纖維細胞、細胞外膠原蛋白和透明質酸，這反過來減輕腫瘤內應力、減輕腫瘤血管的壓迫、改善灌注以及藥物的全身輸送。Mpekris等［32］還將“機械療法”應用于納米免疫治療乳腺癌的策略中，為血管減壓，改善腫瘤的機械環(huán)境。此外，可通過調節(jié)機械應力相關通路控制腫瘤細胞的惡性行為。Moreno等［33］研究表明，EGFR/ERK通路是通過抑制促凋亡基因“hid”來調節(jié)果蠅蛹中細胞存活的中樞調節(jié)因子，而異位組織拉伸或壓縮可以瞬時上調或下調ERK活性［33-34］。因此，在鄰近腫瘤前細胞中輕度激活EGFR/ERK通路可以顯著減緩克隆擴增［34］。

四、小結與展望

固相應力在腫瘤發(fā)生進程中起到重要的調節(jié)作用，并影響化學治療或靶向藥物的作用效果，進而改變腫瘤患者的預后。由于腫瘤的物理性質相比于其他生物學標志物，受到的關注較少，從宏觀到微觀的固相應力，如何通過控制基因表達來調節(jié)細胞命運仍然缺乏實驗基礎。因此，需要多學科密切合作研發(fā)更多先進的體內、外模型來概括和研究腫瘤物理特性的異常。此外，還需要更簡化、更精準的測量工具來量化固相應力以及探索其產生的不同原因。固相應力有望作為生物學標志物，在各種腫瘤的診斷、預后評價和靶向治療中發(fā)揮巨大的作用。

參 考 文 獻

［1］ Helmlinger G， Netti P A， Lichtenbeld H C， et al. Solid stress inhibits the growth of multicellular tumor spheroids. Nat Biotechnol， 1997， 15（8）： 778-783.

［2］ Nia H T， Munn L L， Jain R K. Physical traits of cancer. Science， 2020， 370（6516）： eaaz0868.

［3］ Purkayastha P， Jaiswal M K， Lele T P. Molecular cancer cell responses to solid compressive stress and interstitial fluid pressure. Cytoskeleton （Hoboken）， 2021， 78（6）： 312-322.

［4］ Deng B， Zhao Z， Kong W， et al. Biological role of matrix stiffness in tumor growth and treatment. J Transl Med， 2022， 20（1）： 540.

［5］ Seano G， Nia H T， Emblem K E， et al. Solid stress in brain tumours causes neuronal loss and neurological dysfunction and can be reversed by lithium. Nat Biomed Eng， 2019， 3（3）： 230-245.

［6］ Fernández Moro C， Bozóky B， Gerling M. Growth patterns of colorectal cancer liver metastases and their impact on prognosis： a systematic review. BMJ Open Gastroenterol， 2018， 5（1）： e000217.

［7］ Mierke C T. The matrix environmental and cell mechanical properties regulate cell migration and contribute to the invasive phenotype of cancer cells. Rep Prog Phys， 2019， 82（6）： 064602.

［8］ Ferruzzi J， Sun M， Gkousioudi A， et al. Compressive remodeling alters fluid transport properties of collagen networks - implications for tumor growth. Sci Rep， 2019， 9（1）： 17151.

［9］ Chen Q， Yang D， Zong H， et al. Growth-induced stress enhances epithelial-mesenchymal transition induced by IL-6 in clear cell renal cell carcinoma via the Akt/GSK-3β/β-catenin signaling pathway. Oncogenesis， 2017， 6（8）： e375.

［10］ Kalli M， Stylianopoulos T. Defining the role of solid stress and matrix stiffness in cancer cell proliferation and metastasis. Front Oncol， 2018， 8： 55.

［11］ Desmaison A， Frongia C， Grenier K， et al. Mechanical stress impairs mitosis progression in multi-cellular tumor spheroids. PLoS One， 2013， 8（12）： e80447.

［12］ Chen B J， Wu J S， Tang Y J， et al. What makes leader cells arise： intrinsic properties and support from neighboring cells. J Cell Physiol， 2020， 235（12）： 8983-8995.

［13］ Vilchez Mercedes S A， Bocci F， Levine H， et al. Decoding leader cells in collective cancer invasion. Nat Rev Cancer， 2021， 21（9）： 592-604.

［14］ Kalli M， Minia A， Pliaka V， et al. Solid stress-induced migration is mediated by GDF15 through Akt pathway activation in pancreatic cancer cells. Sci Rep， 2019， 9（1）： 978.

［15］ Kalli M， Voutouri C， Minia A， et al. Mechanical compression regulates brain cancer cell migration through MEK1/Erk1 pathway activation and GDF15 expression. Front Oncol， 2019， 9： 992.

［16］ Tse J M， Cheng G， Tyrrell J A， et al. Mechanical compression drives cancer cells toward invasive phenotype. Proc Natl Acad Sci USA， 2012， 109（3）： 911-916.

［17］ Zanotelli M R， Rahman-Zaman A， VanderBurgh J A， et al. Energetic costs regulated by cell mechanics and confinement are predictive of migration path during decision-making. Nat Commun， 2019， 10（1）： 4185.

［18］ Romani P， Brian I， Santinon G， et al. Extracellular matrix mechanical cues regulate lipid metabolism through Lipin-1 and SREBP. Nat Cell Biol， 2019， 21（3）： 338-347.

［19］ Park J S， Burckhardt C J， Lazcano R， et al. Mechanical regulation of glycolysis via cytoskeleton architecture. Nature， 2020， 578（7796）： 621-626.

［20］ Bertolio R， Napoletano F， Mano M， et al. Sterol regulatory element binding protein 1 couples mechanical cues and lipid metabolism. Nat Commun， 2019， 10（1）： 1326.

［21］ Hanahan D. Hallmarks of cancer： new dimensions. Cancer Discov， 2022， 12（1）： 31-46.

［22］ Zhao X， Pan J， Li W， et al. Gold nanoparticles enhance cisplatin delivery and potentiate chemotherapy by decompressing colorectal cancer vessels. Int J Nanomedicine， 2018， 13： 6207-6221.

［23］ Zanotelli M R， Reinhart-King C A. Mechanical forces in tumor angiogenesis. Adv Exp Med Biol， 2018， 1092： 91-112.

［24］ Stylianopoulos T， Munn L L， Jain R K. Reengineering the tumor vasculature： improving drug delivery and efficacy. Trends Cancer， 2018， 4（4）： 258-259.

［25］ Munn L L， Stylianopoulos T， Jain N K， et al. Vascular normalization to improve treatment of COVID-19： lessons from treatment of cancer. Clin Cancer Res， 2021， 27（10）： 2706-2711.

［26］ Datta M， Coussens L M， Nishikawa H， et al. Reprogramming the tumor microenvironment to improve immunotherapy： emerging strategies and combination therapies. Am Soc Clin Oncol Educ Book， 2019， 39： 165-174.

［27］ Pinter M， Jain R K， Duda D G. The current landscape of immune checkpoint blockade in hepatocellular carcinoma： a review. JAMA Oncol， 2021， 7（1）： 113-123.

［28］ Pinter M， Jain R K. Targeting the renin-angiotensin system to improve cancer treatment： implications for immunotherapy. Sci Transl Med， 2017， 9（410）： eaan5616.

［29］ Huang Q， Lei Y， Li X， et al. A highlight of the mechanisms of immune checkpoint blocker resistance. Front Cell Dev Biol， 2020， 8： 580140.

［30］ 張金華， 田園， 楊曉萍. 腫瘤血管新生及中醫(yī)藥抗腫瘤血管新生的研究進展. 新醫(yī)學， 2022， 53（1）： 18-21.

［31］ Murphy J E， Wo J Y， Ryan D P， et al. Total neoadjuvant therapy with FOLFIRINOX in combination with losartan followed by chemoradiotherapy for locally advanced pancreatic cancer： a phase 2 clinical trial. JAMA Oncol， 2019， 5（7）： 1020-1027.

［32］ Mpekris F， Panagi M， Voutouri C， et al. Normalizing the microenvironment overcomes vessel compression and resistance to nano-immunotherapy in breast cancer lung metastasis. Adv Sci （Weinh）， 2020， 8（3）： 2001917.

［33］ Moreno E， Valon L， Levillayer F， et al. Competition for space induces cell elimination through compaction-driven ERK downregulation. Curr Biol， 2019， 29（1）： 23-34.e8.

［34］ Gudipaty S A， Lindblom J， Loftus P D， et al. Mechanical stretch triggers rapid epithelial cell division through piezo1. Nature， 2017， 543（7643）： 118-121.

（收稿日期：2022-12-01）

（本文編輯：林燕薇）