摘要 生物組織中的細(xì)胞處于充滿細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的三維環(huán)境中，ECM不僅為細(xì)胞提供物理支架，還產(chǎn)生有關(guān)腫瘤細(xì)胞生物學(xué)功能的生化或生物物理信號(hào)。在許多模擬體內(nèi)細(xì)胞—基質(zhì)相互作用的方法中，利用水凝膠進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)已經(jīng)揭示了一些基質(zhì)機(jī)械性質(zhì)協(xié)調(diào)細(xì)胞行為的基本現(xiàn)象。肝細(xì)胞癌(HCC)是最常見(jiàn)的原發(fā)性惡性腫瘤之一，其發(fā)展與組織硬度密切相關(guān)：正常的肝臟組織在受到刺激損傷后發(fā)生炎癥，隨后轉(zhuǎn)化為肝纖維化，然后惡化為肝硬化，最終發(fā)展為肝細(xì)胞癌。隨著這個(gè)過(guò)程的發(fā)展，肝組織的硬度不斷增加，而增加的基質(zhì)硬度又促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖、遷移、上皮細(xì)胞—間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和耐藥性，促進(jìn)了HCC的發(fā)展。表明了基質(zhì)機(jī)械性質(zhì)在促進(jìn)肝癌惡化進(jìn)程中的重要作用。本文綜述了細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)對(duì)肝癌發(fā)展的影響，并展望了基于力學(xué)微環(huán)境揭示肝癌病理機(jī)理的重要意義。

　　關(guān) 鍵 詞 細(xì)胞外基質(zhì);肝細(xì)胞癌;硬度;水凝膠;腫瘤微環(huán)境

　　0 引言

　　生物組織中的細(xì)胞處于充滿細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的三維環(huán)境中，以ECM作為支架實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響細(xì)胞的形態(tài)、代謝、功能、遷移、增殖和分化等行為。除生物化學(xué)因子外，ECM為細(xì)胞的生存和功能提供了適宜的機(jī)械力學(xué)環(huán)境，包括基底剛度、流體靜壓、剪切應(yīng)力、應(yīng)變、壓力和張力等物理信號(hào)。這些力學(xué)因素在調(diào)控細(xì)胞的正常生理功能、疾病的發(fā)生中同樣起著重要作用。例如，在胚胎發(fā)育階段，細(xì)胞外基質(zhì)的硬度參與了胚胎干細(xì)胞向不同類型細(xì)胞的分化過(guò)程;同一器官的健康狀態(tài)和疾病狀態(tài)之間表現(xiàn)出顯著的機(jī)械性能差異[1]。在某些癌變組織中，由于細(xì)胞的無(wú)限增殖，血管的高滲透性，淋巴引流不足以及細(xì)胞外基質(zhì)沉積的增加，導(dǎo)致實(shí)體腫瘤組織與未轉(zhuǎn)化的正常組織相比硬度顯著增加。值得注意的是，細(xì)胞機(jī)械微環(huán)境的改變又反作用于細(xì)胞本身，進(jìn)一步調(diào)控細(xì)胞增殖、侵襲、凋亡、抗藥性、血管生成、代謝和促進(jìn)生長(zhǎng)的信號(hào)通路，從而導(dǎo)致腫瘤惡性化進(jìn)程[2-5]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，物理機(jī)械環(huán)境是調(diào)控腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵因素。

　　肝細(xì)胞癌(HCC)是最常見(jiàn)的原發(fā)性惡性腫瘤之一，是一個(gè)連續(xù)的、多步驟進(jìn)展的癌變病理過(guò)程，且絕大多數(shù)發(fā)生在肝纖維化和肝硬化的基礎(chǔ)上，復(fù)發(fā)頻率高且預(yù)后差。目前，通過(guò)醫(yī)學(xué)影像對(duì)肝臟硬度的檢測(cè)已經(jīng)成為診斷癌前病變與 HCC的重要手段。肝纖維化、硬化結(jié)節(jié)病變過(guò)程導(dǎo)致肝細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境改變，包括生化因素和生物力學(xué)因素[6]，而這些改變反過(guò)來(lái)促進(jìn)HCC的發(fā)展，提高了肝癌細(xì)胞的增殖活性和侵襲性。2011年Schrader 等[7]發(fā)現(xiàn)增加基質(zhì)硬度可促進(jìn)肝癌細(xì)胞增殖和對(duì)化療的耐藥性，而軟基質(zhì)環(huán)境可誘導(dǎo)HCC中可逆性細(xì)胞休眠和干細(xì)胞特征。2019年Gao等[6]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械適應(yīng)賦予肝癌細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性和對(duì)索拉非尼的耐藥性增加，且肝硬化硬度影響肌動(dòng)蛋白的組織和肝癌細(xì)胞遷移，增加患者的臨床預(yù)后風(fēng)險(xiǎn)。此外，機(jī)械力學(xué)微環(huán)境對(duì)肝細(xì)胞的癌變、形態(tài)、增殖、代謝以及遷移等細(xì)胞活性有著重要作用。基于此，本文總結(jié)了肝硬化與肝癌的發(fā)展過(guò)程、細(xì)胞外基質(zhì)的作用及體外模擬，以及細(xì)胞外基質(zhì)硬度對(duì)肝癌發(fā)展的影響，并展望了基于力學(xué)微環(huán)境揭示肝癌病理機(jī)理的重要意義。

　　1 肝硬化與肝癌的發(fā)展過(guò)程

　　肝臟負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)素的代謝、合成、儲(chǔ)存和再分配，并且在體內(nèi)平衡中起著核心作用。肝細(xì)胞癌形式的原發(fā)性肝癌是全球第五大常見(jiàn)的癌癥，是男性中第五常見(jiàn)的惡性腫瘤，在女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤中排第九[8]，并且是第二大最常見(jiàn)的癌癥死亡原因[9]，主要治療手段是切除手術(shù)和移植手術(shù)[10]。我國(guó)是原發(fā)性肝細(xì)胞肝癌的高發(fā)國(guó)家，HCC是肝癌最主要的病理類型，占90%以上，具有侵襲性、轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)率高等特點(diǎn)[11]。HCC是一個(gè)連續(xù)的、多步驟進(jìn)展的癌變病理過(guò)程，且絕大多數(shù)發(fā)生在肝硬化的基礎(chǔ)上，如圖1[12]所示正常的肝臟組織在病毒、酒精、活性氧等刺激損傷后發(fā)生炎癥，隨后轉(zhuǎn)化為肝纖維化(Stage 1)，然后惡化為肝硬化(Stage 2)，最終發(fā)展為肝細(xì)胞癌(Stage 3)(HCV：丙型肝炎病毒; HBV：乙型肝炎病毒;NAFLD：非酒精性脂肪肝疾病;NASH：非酒精性脂肪性肝炎)。

　　1.1 正常肝到肝纖維化(Stage 1)

　　毒素、病毒、膽汁淤積、應(yīng)力、活性氧、自身免疫性損傷、代謝產(chǎn)物等刺激可引起慢性肝臟疾病，當(dāng)這些刺激對(duì)肝臟重復(fù)損傷或長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)，肝再生就會(huì)失敗，這將導(dǎo)致膠原ECM(主要是I型膠原)的過(guò)度積累——稱為“肝纖維化”。這些損傷通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞因子/生長(zhǎng)因子和其他激活纖維化的下游效應(yīng)子——主要是活化的肝星狀細(xì)胞(HSC)和成肌纖維細(xì)胞(MF)以及程度較低的活化的竇狀內(nèi)皮細(xì)胞，從而驅(qū)動(dòng)纖維生成(增強(qiáng)的ECM合成)[13-16]，導(dǎo)致ECM成分如膠原的沉積增加。同時(shí)HSC/MF和各種其他細(xì)胞會(huì)增加金屬蛋白酶的組織抑制劑(TIMP-1)的合成，降低基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)的含量和活性。MMPs在錯(cuò)誤的位置或時(shí)間發(fā)生的失活和活性降低也會(huì)促進(jìn)細(xì)胞遷移和增殖，可驅(qū)動(dòng)繼發(fā)性纖維化反應(yīng)，最終形成肝纖維化[17]。因此，肝纖維化是所有慢性肝病(CLD)的常見(jiàn)結(jié)局[18]。纖維化伴隨著免疫細(xì)胞組成的改變和血管生成的改變，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)改變，損害器官功能[19]。

　　1.2 纖維化發(fā)展為肝硬化(Stage2)

　　肝纖維化的終末期不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)果是大量的發(fā)病和死亡，其特征是形成被纖維化隔膜包圍并分隔的實(shí)質(zhì)的再生結(jié)節(jié)。全世界有1.7億患者患有慢性肝病，其中25%至30%會(huì)發(fā)展為明顯的纖維化并最終發(fā)展為肝硬化[18]。如果損傷因素長(zhǎng)期不能去除，纖維化的過(guò)程長(zhǎng)期持續(xù)就會(huì)發(fā)展成肝硬化。在慢性肝病末期觀察到的一組形態(tài)學(xué)改變，以肝實(shí)質(zhì)的血管結(jié)構(gòu)紊亂為特征，肝臟逐漸變形、變硬而被稱為“肝硬化”[20]。肝硬化肝細(xì)胞的特征在于波形蛋白和I型膠原蛋白的表達(dá)增加，表明上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的開(kāi)始，即上皮細(xì)胞失去表型特征并獲得間充質(zhì)細(xì)胞特征的過(guò)程[21]。此外肝硬化伴隨肝細(xì)胞增殖減少，表明肝臟的再生能力用盡，并導(dǎo)致纖維組織增加和肝細(xì)胞破壞，最終可能導(dǎo)致癌性結(jié)節(jié)的發(fā)展[22]。

　　1.3 肝細(xì)胞癌合并肝硬化(Stage3)

　　肝硬化患者的5年累積肝細(xì)胞肝癌發(fā)生率為 5%～30%[23]，但由于大多數(shù)肝硬化患者無(wú)癥狀，因此很難診斷出早期肝癌[24]，所以有肝癥狀和肝癌的患者通常被認(rèn)為已經(jīng)患有晚期肝癌。臨床數(shù)據(jù)表明，80%以上的HCC患者具有肝硬化或重度肝纖維化，幾乎所有患有肝細(xì)胞癌的患者都患有肝硬化[25-26]，而且肝硬化常阻礙對(duì) HCC的有效治療。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，與肝硬化相關(guān)的HCC死亡率不斷上升，而非肝硬化為并發(fā)癥的肝癌死亡率則下降或保持穩(wěn)定。研究表明，肝癌目前是代償性肝硬化患者與肝相關(guān)死亡的主要原因[23]。

　　2 細(xì)胞外基質(zhì)的作用及體外模擬

　　2.1 細(xì)胞外基質(zhì)參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生理過(guò)程

　　所有組織和器官都包含細(xì)胞和非細(xì)胞成分，由細(xì)胞分泌到細(xì)胞外的大分子物質(zhì)，如膠原蛋白、層黏連蛋白、蛋白聚糖等，形成了良好的組織網(wǎng)絡(luò)，稱為細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)。ECM不僅為細(xì)胞提供物理支架，還含有大量的信號(hào)分子，積極參與許多細(xì)胞過(guò)程，包括生長(zhǎng)、遷移、分化、存活、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和形態(tài)變化等。ECM可為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支持和錨定位點(diǎn)，并賦予部分組織的生物力學(xué)特性[27-28]。ECM蛋白也可以直接通過(guò)它們的受體(如整聯(lián)蛋白)或通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)給細(xì)胞[29]。ECM引導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，從而指導(dǎo)必要的組織形態(tài)和生理功能。ECM在生理、發(fā)育和衰老中起著關(guān)鍵作用[30]。越來(lái)越多的報(bào)道揭示ECM的機(jī)械性質(zhì)在細(xì)胞功能調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用[31-32]。ECM的生物化學(xué)、生物力學(xué)、組織特性和保護(hù)性在不同組織之間，甚至在一個(gè)組織從一種生理狀態(tài)到另一種生理狀態(tài)(正常與癌變)之間，都可能有很大差異[33]。

　　2.2 基質(zhì)硬化與腫瘤發(fā)展

　　目前，ECM對(duì)腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的生化作用已有較多的文獻(xiàn)記載[34]，但對(duì)它們的生物物理信號(hào)作用的研究相對(duì)較少。Ulrich等[35]發(fā)現(xiàn)隨著ECM硬度降低到與正常腦組織相當(dāng)?shù)闹担[瘤細(xì)胞變得圓潤(rùn)并且無(wú)法有效遷移。此外，細(xì)胞增殖受ECM硬度的調(diào)節(jié)也較為明顯，與軟的ECM相比，較硬的ECM能促進(jìn)細(xì)胞的分裂。基質(zhì)硬化是實(shí)體瘤最顯著的機(jī)械和物理特征，主要是由于細(xì)胞外基質(zhì)蛋白過(guò)度沉積和交聯(lián)所致[36]。癌細(xì)胞與癌癥相關(guān)的成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞協(xié)同工作，通過(guò)一些活動(dòng)調(diào)節(jié)ECM：一些沉積結(jié)構(gòu)成分的增多(如例如膠原蛋白I[37]，膠原蛋白II，III，V，IX[38]);各種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的分泌(如IGF1，EGF，TGFβ，VEGF[39]，賴氨酰氧化酶[40])。在這些活動(dòng)增多的情況下，癌細(xì)胞募集并轉(zhuǎn)化基質(zhì)細(xì)胞，繼而協(xié)調(diào)基質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)，機(jī)械剛度增加。而機(jī)械剛度增加可能會(huì)破壞細(xì)胞表面力的平衡，促進(jìn)整聯(lián)蛋白聚集和粘著斑形成，從而將外源基質(zhì)產(chǎn)生的力信號(hào)傳遞到細(xì)胞中，并最終影響它們的生物學(xué)表型和特性，例如細(xì)胞的形態(tài)、生長(zhǎng)、分化，以及蛋白質(zhì)、細(xì)胞因子的合成分泌和代謝[41-42]，還通過(guò)細(xì)胞骨架重塑來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移。癌癥轉(zhuǎn)移需要腫瘤細(xì)胞侵入基質(zhì)，并使腫瘤細(xì)胞通過(guò)基質(zhì)直接向脈管系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)遷移，之后擴(kuò)散和定殖次級(jí)器官。在原發(fā)性腫瘤組織內(nèi)形成的物理和生化梯度會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲，并推動(dòng)腫瘤細(xì)胞向血管和淋巴管的持續(xù)遷移，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散[43]。基質(zhì)與癌細(xì)胞之間這種復(fù)雜的相互作用形成了基于生物化學(xué)和生物物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)因素的動(dòng)態(tài)前饋/反饋回路。因此，生物物理信號(hào)逐漸成為人們研究癌癥轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵切入點(diǎn)[44]。

　　2.3 體外模擬細(xì)胞外基質(zhì)的常用材料

　　水凝膠是一種親水性的三維網(wǎng)絡(luò)高分子材料，具有良好的生物相容性，根據(jù)來(lái)源可分為天然水凝膠和合成水凝膠。常用的天然水凝膠主要有膠原蛋白、透明質(zhì)酸和海藻酸;常用的合成水凝膠主要包括聚丙烯酰胺、聚乙二醇等。通過(guò)選擇適當(dāng)材料和化學(xué)成分，合理設(shè)計(jì)水凝膠的相關(guān)關(guān)鍵特性，例如機(jī)械剛度、彈性、含水量、生物活性、孔隙度和降解性[45]，從而模擬天然ECM相似的生物學(xué)和物理學(xué)特性。水凝膠化學(xué)的主要目的是構(gòu)建用作3D離體組織模型的水凝膠，從而能夠通過(guò)復(fù)制組織的動(dòng)態(tài)和非線性物理特性來(lái)探索細(xì)胞生物學(xué)中的基本問(wèn)題。將水凝膠作為離體組織模型進(jìn)行細(xì)胞3D培養(yǎng)已經(jīng)揭示了一些協(xié)調(diào)細(xì)胞行為和組織的基本現(xiàn)象[46]。水凝膠已成為體外模擬構(gòu)建生物體內(nèi)環(huán)境的一種重要材料。

　　3 基質(zhì)硬度對(duì)肝癌發(fā)展的影響研究現(xiàn)狀

　　3.1 腫瘤微環(huán)境在肝癌進(jìn)展中的作用

　　體內(nèi)腫瘤細(xì)胞在原發(fā)腫瘤部位和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移部位均存在各種類型的微環(huán)境。了解這些微環(huán)境的各種機(jī)械特性如何在腫瘤發(fā)展過(guò)程中影響腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)特征，對(duì)于確定癌癥治療的分子靶標(biāo)至關(guān)重要[41]，因此腫瘤微環(huán)境(TME)在癌癥進(jìn)展中的作用正受到廣泛關(guān)注。TME具有明顯的異質(zhì)性，并參與腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和耐藥性。模仿這種多樣化的微環(huán)境對(duì)于理解腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移具有重要意義[47]。細(xì)胞外基質(zhì)蛋白作為腫瘤微環(huán)境中最豐富的非細(xì)胞固態(tài)成分，不僅維持腫瘤細(xì)胞/組織的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且還產(chǎn)生有關(guān)腫瘤細(xì)胞生物學(xué)功能的生化或生物物理信號(hào)[36]。肝臟中的TME在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性肝腫瘤的形成、生長(zhǎng)中起著重要作用。TME的細(xì)胞和非細(xì)胞成分會(huì)顯著影響腫瘤的發(fā)展、生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散、抗腫瘤免疫力以及對(duì)腫瘤治療的反應(yīng)[48]。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)表明，腫瘤與其微環(huán)境的相互作用在HCC發(fā)病機(jī)理中起著重要作用：TME積極參與肝纖維化、肝癌發(fā)生、EMT、轉(zhuǎn)移和侵襲的調(diào)節(jié)[49]。

　　3.2 肝臟硬度隨肝癌發(fā)展的變化

　　肝臟硬度被視為與纖維化相關(guān)，并且隨著纖維化程度的加深肝臟硬度增加[18]。2003年Sandrin等[50]引入基于超聲的瞬時(shí)彈性成像技術(shù)(目前在臨床上廣泛應(yīng)用于測(cè)量肝臟硬度)，他們對(duì)多期肝纖維化的肝臟硬度進(jìn)行了測(cè)量(如圖2[50]所示)。纖維化的等級(jí)范圍從F0到F4(F0：無(wú)纖維化，F(xiàn)1：無(wú)隔墊的門脈纖維化，F(xiàn)2：少隔，F(xiàn)3：無(wú)肝硬化的隔墊，F(xiàn)4：肝硬化)，結(jié)果顯示隨著纖維化的發(fā)生，肝臟硬度從正常狀態(tài)的2.5 kPa增加為肝硬化狀態(tài)的75.5 kPa。2016年P(guān)erepelyuk等[51]為了更好地了解正常和纖維化肝臟的力學(xué)特征，使用平行平板流變儀進(jìn)行了一系列研究，測(cè)量了對(duì)壓縮、拉伸和剪切應(yīng)變的響應(yīng)。研究表明，大鼠肝臟中隨著進(jìn)行性纖維化的增加，剪切儲(chǔ)能模量[(G′)]、損失模量[(G″)]和楊氏模量顯著增加，并且隨著壓縮力的施加，剪切模量顯著增加。說(shuō)明晚期纖維化肝組織與早期纖維化肝組織或正常肝相比，晚期纖維化肝組織具有較高的壓力抵抗能力。

　　此外，已有廣泛報(bào)道稱肝臟是粘彈性組織，具有非線性的機(jī)械性質(zhì)，其彈性和粘滯性能隨時(shí)間和形變而變化[51]。肝細(xì)胞外基質(zhì)在纖維化過(guò)程中發(fā)生質(zhì)和量的變化，其中纖維狀膠原蛋白顯著增加。這些機(jī)械性質(zhì)相關(guān)的ECM蛋白和多糖變化，可能有助于并改變細(xì)胞行為，并且對(duì)組織的非線性力學(xué)具有重大影響。

　　3.3 基質(zhì)硬度對(duì)肝癌發(fā)展的影響

　　基底硬度影響肝癌細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)和增殖：2011年Schrader等[7]為明確基質(zhì)硬度的變化是否調(diào)節(jié)HCC細(xì)胞增殖和化療反應(yīng)，在不同硬度聚丙烯酰胺(PA)凝膠表面培養(yǎng)肝癌細(xì)胞系HuH-7和HepG2。結(jié)果表明，柔軟(1 kPa)的凝膠上的肝癌細(xì)胞形態(tài)較小且呈現(xiàn)圓形，而在硬(12 kPa)凝膠上則為更加伸展且扁平形態(tài)的細(xì)胞(圖3a)[7])。此外，增加基質(zhì)硬度可促進(jìn)HCC增殖，基質(zhì)硬度對(duì)G1期的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子的表達(dá)具有相應(yīng)的作用;基質(zhì)硬度可調(diào)節(jié)化療后HCC細(xì)胞凋亡和克隆形成能力：順鉑治療后，在較硬的凝膠上培養(yǎng)的細(xì)胞凋亡減少，軟凝膠上的細(xì)胞克隆形成能力增強(qiáng)。證明機(jī)械因素能夠調(diào)節(jié)HCC細(xì)胞的形態(tài)、增殖和化學(xué)治療反應(yīng)。這對(duì)原發(fā)性HCC的治療和預(yù)防播散性腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)具有重要意義。

　　基底硬度影響肝癌細(xì)胞的遷移性：2020年Liu等[52]為了研究ECM剛度對(duì)HCC細(xì)胞的遷移的作用，制備了具有3種剛度(6，25和54 kPa，匹配正常肝，肝硬化和肝癌組織的生理硬度)的聚丙烯酰胺水凝膠，通過(guò)劃痕法和transwell法測(cè)定HCC細(xì)胞的遷移能力。結(jié)果表明，HepG2和MHCC97L細(xì)胞的遷移能力均隨水凝膠剛度的增加而顯著增加(圖3b)[52])，較硬的基質(zhì)通過(guò)上調(diào)需氧糖酵解來(lái)促進(jìn)HCC細(xì)胞的遷移。而YAP作為細(xì)胞微環(huán)境機(jī)械力學(xué)的傳感器，它的活性和亞細(xì)胞定位也受ECM剛度調(diào)節(jié)：YAP定位在細(xì)胞核中的量隨基質(zhì)剛度的增加而增加。ECM剛度通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路誘導(dǎo)YAP激活來(lái)調(diào)節(jié)HCC細(xì)胞的遷移。確定了涉及YAP的MAPK依賴性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。揭示了受ECM力學(xué)調(diào)節(jié)的HCC細(xì)胞遷移機(jī)制，使我們更好地了解了機(jī)械力學(xué)環(huán)境對(duì)肝癌發(fā)生發(fā)展的影響。

　　基底硬度調(diào)控肝癌細(xì)胞的上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化：2019年Dong等[36]建立具有不同肝硬度背景的布法羅大鼠HCC模型和具有可調(diào)硬度的體外Col I涂層培養(yǎng)細(xì)胞來(lái)研究基質(zhì)硬度對(duì)上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)發(fā)生的影響及其潛在的分子機(jī)制。結(jié)果表明在較高硬度的肝臟中生長(zhǎng)的HCC異體移植物表現(xiàn)出較差的惡性表型和較高的肺轉(zhuǎn)移率，較高的肝臟硬度會(huì)促進(jìn)HCC的侵襲和轉(zhuǎn)移。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，較高的基質(zhì)硬度能夠顯著增強(qiáng)惡性表型并獨(dú)立誘導(dǎo)HCC細(xì)胞中的EMT發(fā)生，并且存在于Snail表達(dá)的3個(gè)信號(hào)通路參與了剛度介導(dǎo)的EMT發(fā)生，包括整合素介導(dǎo)的S100A11膜易位，eIF4E 磷酸化和TGFβ1自分泌(圖3c)[36])。此外，剛度誘導(dǎo)的EMT所需的關(guān)鍵分子在肝硬度較高的HCC患者的腫瘤組織中高表達(dá)，并且與較少的腫瘤分化和更高的復(fù)發(fā)率相關(guān)。突出表明了生物力學(xué)信號(hào)在觸發(fā)EMT和促進(jìn)HCC侵襲和轉(zhuǎn)移中的重要作用。

　　基底硬度參與肝癌細(xì)胞的耐藥性發(fā)展：2019年Gao等[6]的研究誘導(dǎo)了HCC細(xì)胞中的索拉非尼耐藥細(xì)胞系，觀察發(fā)現(xiàn)索拉非尼耐藥細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和細(xì)胞剛度發(fā)生了變化，類似于生長(zhǎng)于較硬基底上的細(xì)胞。為了研究機(jī)械因素在HCC細(xì)胞生長(zhǎng)和耐藥性中的作用，他們使用了一種硬度可調(diào)的體外細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，模擬正常和肝硬化的肝組織，發(fā)現(xiàn)在較硬基底的肝癌細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性增加，索拉非尼耐藥性增加(圖3d)[6])，還具有更大的侵襲潛力。通過(guò)小干擾RNA沉默YAP基因，消除了基質(zhì)硬度對(duì)肝癌細(xì)胞的索拉非尼耐藥性影響，證明YAP介導(dǎo)了HCC細(xì)胞中機(jī)械適應(yīng)誘導(dǎo)的索拉非尼耐藥性。因此，通過(guò)調(diào)控機(jī)械微環(huán)境及其所介導(dǎo)的YAP信號(hào)通路對(duì)克服肝癌細(xì)胞的耐藥性具有重要意義。

　　水凝膠調(diào)控HCC發(fā)展的研究現(xiàn)狀小結(jié)：現(xiàn)在關(guān)于基質(zhì)硬度調(diào)節(jié)HCC發(fā)展的研究多使用合成水凝膠——聚丙烯酰胺凝膠[6-8，36，52-54]作為“機(jī)械可調(diào)”基質(zhì)涂層，設(shè)計(jì)不同硬度來(lái)模擬正常和纖維化肝臟中遇到的值，在凝膠表面培養(yǎng)肝癌細(xì)胞：發(fā)現(xiàn)增加基質(zhì)硬度改變HCC細(xì)胞形態(tài)[7]，促進(jìn)HCC增殖[7]、遷移[52]、EMT[36]，增強(qiáng)耐藥性[6]，抑制凋亡[53]。但是聚丙烯酰胺凝膠不具備生物組織常有的非線性力學(xué)性質(zhì)，而且多數(shù)工作是將細(xì)胞培養(yǎng)在水凝膠表面，并未將細(xì)胞包裹在水凝膠內(nèi)部，不能充分地模擬肝癌組織的三維動(dòng)態(tài)環(huán)境和非線性物理特性。這些研究結(jié)果啟發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)并使用更具仿生特點(diǎn)的水凝膠來(lái)研究三維環(huán)境對(duì)HCC發(fā)展的影響，從而更好地探索肝癌發(fā)展中的基本問(wèn)題。

　　4 結(jié)語(yǔ)與展望

　　腫瘤生物物理學(xué)為理解癌癥和發(fā)現(xiàn)新療法提供了新的思路。通過(guò)對(duì)基質(zhì)力學(xué)性質(zhì)與癌癥發(fā)生、發(fā)展關(guān)系的不斷深入研究，調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)可成為癌癥治療和預(yù)后的新靶標(biāo)。ECM的硬度對(duì)肝癌細(xì)胞行為有相當(dāng)大的影響，并且在癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移過(guò)程中起著非常重要的作用。肝硬度的增加在驅(qū)動(dòng)HCC惡化和進(jìn)展中起有害作用，并表現(xiàn)出高風(fēng)險(xiǎn)的不良后果，已成為肝癌的一個(gè)重要的臨床病理參數(shù)并表示肝癌的病理分級(jí)[55]。隨著正常肝向肝纖維化、肝硬化、肝癌的發(fā)展，肝臟組織的硬度不斷增加，而增加的肝臟硬度又促進(jìn)肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、遷移、侵襲、EMT和耐藥性，促進(jìn)了HCC惡化和發(fā)展。肝基質(zhì)硬度可能充當(dāng)改變腫瘤行為和進(jìn)展的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。

　　開(kāi)發(fā)在離體仿生3D平臺(tái)研究細(xì)胞—基質(zhì)相互作用可以幫助我們更好地了解物理因素如何影響化學(xué)信號(hào)，從而影響肝癌的發(fā)展惡化。目前大多數(shù)工作是基于天然水凝膠或合成水凝膠來(lái)模擬肝癌發(fā)展中ECM的不同硬度。但生物組織的機(jī)械性質(zhì)除硬度不同外，還具有粘彈性、可塑性、應(yīng)力剛化等非線性力學(xué)性質(zhì)。然而，大部分合成水凝膠不具有天然ECM的非線性力學(xué)特點(diǎn)，不能夠很好的模擬天然ECM。因此，很少有適合的材料能夠用來(lái)研究基質(zhì)非線性機(jī)械性質(zhì)對(duì)細(xì)胞功能的調(diào)控。2013年，Rowan&Kouwer課題組設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一種具有機(jī)械響應(yīng)性能的仿生水凝膠——螺旋聚異腈多肽(Polyisocyanopeptide，PIC[56])。PIC水凝膠在生物的硬度范圍內(nèi)展示出超強(qiáng)的力學(xué)響應(yīng)能力，即應(yīng)力剛化的性質(zhì)，隨著外界應(yīng)力的增加PIC水凝膠的強(qiáng)度增強(qiáng)。該性質(zhì)一般主要存在于膠原蛋白、中間纖維等天然生物凝膠中，在人工合成的水凝膠中很少被觀察到。基于其仿生的應(yīng)力剛化性質(zhì)，PIC水凝膠已成功用于調(diào)控干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化[57]。由于PIC高度的仿生特性，并且可以通過(guò)鏈長(zhǎng)、濃度等參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整PIC水凝膠的機(jī)械性質(zhì)，從而可以很好的模擬腫瘤的硬度和其他非線性力學(xué)特性，以便研究這些特性對(duì)腫瘤侵襲性和轉(zhuǎn)移潛力等的影響。因此，未來(lái)基于仿生水凝膠的非線性力學(xué)性質(zhì)研究其對(duì)肝癌細(xì)胞的功能調(diào)控，對(duì)進(jìn)一步理解肝癌微環(huán)境如何通過(guò)復(fù)雜機(jī)械信號(hào)調(diào)控肝癌的發(fā)展具有重要意義。

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