1 引 言

癌症是世界上致死率最高的疾病之一.根据世界卫生组织的数据,2012年全世界范围内有820万人死于癌症,约占死亡人数的13%.此外,每年还有超过1000万人被确诊为癌症.预计到2030年,每年将会有1200万人死于癌症.尽管全世界科学家倾注了许多心血,但是由于癌症的复杂性和特异性,癌症的治疗依然是一个巨大挑战.

癌症又称恶性肿瘤,是由细胞异常增生导致器官功能丧失的疾病.肿瘤分为实体肿瘤(solid tumor)和血液肿瘤 (hem atological tumor).血液肿瘤起源于血液、骨髓以及淋巴系统,包括各类白血病、多发性骨髓瘤以及恶性淋巴瘤,而实体肿瘤往往起源于其他组织.癌症引起的死亡超过85%是由实体肿瘤引起的(Jain 2005).在过去几十年,科学家一直把遗传和表观遗传因素作为恶性肿瘤病因的研究焦点.然而,近20年来,人们逐渐认识到微环境对恶性肿瘤的产生和发展具有重要影响(T lsty&Coussens 2006).

在大坝下游配置一套生产能力为45 m3/h的组合式混凝土搅拌站，主机采用JS750强制式双卧轴搅拌机，配备1台三斗电子自动配料器、1台装载机、1台混凝土输送泵及2座150 t水泥罐。拌和系统采用自动化计量装置，全部实行计算机控制。

肿瘤微环境主要包括肿瘤细胞、间质细胞(stormal cell)和细胞外基质(extracellular matrix),其在肿瘤的生长、血管的生成、肿瘤的入侵和转移过程中扮演着重要角色(Witz&Orlev 2006,Shieh 2011).肿瘤的微环境不同于正常组织的微环境,其具有自身的特殊性,主要体现在血管和淋巴管的异常结构和功能、异常的代谢微环境、间质高压以及致密的间隙基质(interstitial matrix).肿瘤微环境的特殊性给肿瘤的治疗带来巨大困难,了解肿瘤微环境的特殊性对研究肿瘤的形成和发育以及癌症治疗有重要的意义.

在肿瘤微环境中,力学因素扮演着至关重要的角色.一方面,肿瘤的生长和发展都伴随着肿瘤微环境中力学因素的改变,例如肿瘤无限增殖产生的应力、基质刚度的增大、间质液压的升高、间质液流动的加强等(Shieh 2011);另一方面,力学因素的改变也会影响肿瘤微环境,例如,残余应力会挤压血管和淋巴管(Padera et al.2004),导致血管和淋巴管丧失功能,进而影响肿瘤内的代谢微环境(Helm linger et al.1997b),并造成间质高压(Leu et al.2000,Padera et al.2002).此外,力学因素还会影响到肿瘤的治疗和肿瘤细胞的转移.例如,肿瘤间隙基质会被快速增殖的肿瘤细胞挤压成为曲折致密的网络,增大药物在其中的输运难度(Chauhan et al.2009),间质液的流动会影响细胞转移的方向(Polacheck et al.2011).因此,肿瘤微环境中的力学问题受到越来越多的关注.

本文针对多数实体肿瘤的结构特点,选取具有典型肿瘤微环境的常见肿瘤(如乳腺肿瘤、胰腺肿瘤)相关的力学问题进行综述.首先介绍肿瘤微环境的构成以及不同成分的作用,总结肿瘤微环境与正常组织的不同,指出这些特殊性对肿瘤生长和发育的影响.进而讨论肿瘤微环境中残余应力产生的原因、后果和力学模型,并介绍纳米药物在肿瘤微环境中的输运过程和控制方程以及微环境的特殊性和纳米药物的物化性质对输运过程的影响,指出微环境的正常化对肿瘤治疗的意义.最后,讨论肿瘤细胞转移过程中的力学问题,包括细胞外基质刚度、细胞骨架、黏附与解离作用、间质液的流动对肿瘤细胞转移的影响及其力学分析方法.

2 肿瘤微环境的构成

肿瘤微环境是指肿瘤所处的细胞环境,包括肿瘤细胞、间质细胞和细胞外基质(Witz&Orlev 2006).肿瘤与微环境紧密联系在一起.

2.1 间质细胞

纳米药物的大小、形状、刚度和表面性质对其在肿瘤微环境中的输运有着重要的影响.合理地设计纳米药物可以显著提高纳米药物的输运效率.

原文：England are home to 200 different nationalities.

成纤维细胞是结缔组织细胞.在肿瘤中,成纤维细胞会转变成为肿瘤相关成纤维细胞(tumor associated fibroblast,TAF)(Raghu&Michael 2006).肿瘤相关成纤维细胞会分泌出一种异于正常细胞外基质的间隙基质,这种基质富含I型胶原蛋白、ED-A纤连蛋白和细胞黏合素C(Brown et al.1999,Matthew et al.2002).除了分泌间隙基质外,肿瘤相关成纤维细胞还会分泌一系列因子,如基质金属蛋白酶(MMP)、趋化因子和生长因子.这些因子会促进肿瘤生长、血管生成以及肿瘤入侵(Singer et al.2002,De Wever et al.2004,Nelson et al.2008).

免疫细胞(如巨噬细胞、淋巴细胞和白细胞)也会分泌多种因子.在正常情况下,这些因子会引起或维持炎症反应和免疫反应,但在肿瘤中却会促进肿瘤的发育(Joyce&Pollard 2009).肿瘤细胞与免疫细胞之间的相互作用能调节免疫反应,使肿瘤免受免疫细胞的攻击(Shields et al.2010).

2.2 细胞外基质

细胞外基质又分为间隙基质和基膜 (basem ant membrane).间隙基质是细胞与细胞之间缝隙中的固体成分,基膜是一种由特殊的细胞外基质蛋白构成的厚度约为50～100nm的薄膜,通常位于单层细胞膜的底外侧,如血管的外侧(LeB leu et al.2007).细胞外基质的主要成分包括胶原蛋白(collagen)、弹性蛋白(elastin)、蛋白聚糖(proteoglycan)以及其他特异性结构蛋白,这些蛋白多数由成纤维细胞合成.在肿瘤微环境形成的第一阶段,一个重要过程是重构细胞外基质(Weber&Kuo 2012).肿瘤相关成纤维细胞会分泌基质金属蛋白酶,它能水解蛋白质高分子,进而引发细胞外基质的重构.大量研究表明,金属蛋白酶在肿瘤中过度表达(K lein et al.2004).由金属蛋白酶等引起的细胞外基质的降解会导致肿瘤细胞入侵周围宿主组织并进入循环系统,同时它也会引起内皮细胞的迁移,从而促进新血管的生成(Weber&Kuo 2012).

第二，对立认同对立认同是基于双方共同的对立面而达成的彼此认同。这个对立面可以是人、物或者生存环境等，这体现了伯克不受古典修辞学的束缚，将新修辞学与人的生存环境的哲学思考相联系的超前思维。例如，两个不同发展路线的国家，面对共同的对立面时，原本彼此关系生疏的双方超越发展路线的分歧，达成共谋发展的合作认同。对立认同中的对立关系普遍存在于人类社会中，这就要求我们在现实生活中不断对周围的环境审时度势后做出认知判断，再采取恰当的行动。

整合素 (integrin)也是细胞外基质蛋白中的一员,它是一种细胞表面受体,能与细胞外基质结合,从而改变细胞外基质的结构,影响细胞与细胞外基质间的信号转导.研究表明,在肿瘤微环境中,整合素能促进新血管的生成以及肿瘤细胞的增殖和转移(A lphonso&A lahari2009).

3 肿瘤微环境的特殊性

3.1 肿瘤内血管和淋巴管的异常结构和功能

实体肿瘤的生长主要分两个时期,无血管期和血管期(Folkman 1975).无血管期的肿瘤主要依靠扩散输运的方式为细胞提供氧和营养物质并排出代谢废物,因此当肿瘤生长到直径为1～2mm时,扩散受到限制,肿瘤便进入休眠期(Folkm an 1982).此时的休眠并非所有的细胞都进入休眠,细胞仍然在进行着生命活动,只是增殖的速率与死亡的速率达到了平衡(周瑜2012).肿瘤的入侵和转移主要发生在血管期(Chap lain 1996).根据实验和临床的数据,休眠期的肿瘤可以保持无血管的状态几个月,甚至几年(Yadav et al.2015).当肿瘤发生某些改变后,肿瘤中的一些细胞会转变为促血管生成表型(angiogenic phenotype),这个现象称之为“血管生成开关”(angiogenic sw itch)(Yadav et al.2015).促血管生成表型的细胞分泌更多的促血管生成因子,如血管内皮生成因子(VEGF)、血小板源性生长因子(PDGF)、转化生长因子(TGF)、表皮细胞生长因子(EGF)、成纤维细胞生长因子等,并抑制抗血管生成因子的表达(Yadav et al.2015).促血管生成因子进入周围正常的宿主组织,与宿主组织的血管内皮细胞表面的受体结合,刺激细胞增殖(Gupta&Qin 2003).此时,肿瘤中的细胞还会分泌蛋白酶,降解血管周围的基膜和细胞外基质,帮助新生的内皮细胞从微血管中迁出,形成血管新芽,最终在肿瘤中发育成新的血管(Gupta&Qin 2003).虽然血管期的肿瘤与正常组织一样存在着血管,但其血管的结构和功能往往不正常.

我国现有医学体系以西方医学为主，医学生在成长过程中对于中医药文化了解有限，难以产生专业兴趣与喜爱之情。部分中药专业本科生是由其他专业被动调剂而来，开始时甚至存在一定的抵触心理；也有部分学生即使端正了学习态度，也缺乏中医药思维方式。笔者所在学校一定程度上也存在类似现象，引起教师广泛关注。经分析，我们认为这样的学生大概可分为两类：待启蒙类和缺乏文化底蕴类。

肿瘤中的血管内皮细胞相比于正常的血管内皮细胞,明显缺少内皮细胞黏附分子-1(PECAM-1)和紧密连接蛋白(Dud ley 2012).这两种物质是保持血管完整性、维持血管屏障功能所必需的.由于缺少这两种物质,肿瘤血管内皮细胞之间会出现1.5µm左右的间隙(Hashizume et al.2000,Dud ley 2012),如图 1所示.此外,肿瘤血管相比于正常组织的血管还缺少基膜(basementmembrane)(Raghu 2003).由于以上特点,肿瘤血管相比于正常血管具有更强的通透性.

  

图1

 

(a)正常的血管,(b)肿瘤中的血管.紧密连接是指两个细胞的细胞膜紧密的接触在一起,它可以阻碍分子和离子通过,组成紧密连接的蛋白统称为紧密连接蛋白(Gonzalez-Mariscal et al.2003);黏附连接是指上皮组织或内皮组织中细胞之间的蛋白质复合物和细胞骨架相连,使两个细胞黏附在一起(Guo et al.2007)

由于促血管生成因子的过度表达,血管一直处于未发育成熟阶段,导致肿瘤血管往往更加曲折(Dvorak et al.1995).血管的高度曲折会增大血管的阻力,导致血液流速减慢(Sevick&Jain 1989).而血液通常是一种剪切致稀流体,血液流速的减慢势必会引起血液黏性阻力的增大(Yuan et al.1994),进一步降低血液的流速.因此,肿瘤整体灌注率(每立方体积血液流量)通常低于正常组织,其平均红细胞速率大约比正常组织低一个量级.

术后密切观察患者生命体态变化，观察患者病情变化，瞳孔变化，必要时可给予吸氧，保持患者呼吸道通畅。患者术后确保引流管妥善固定，保持引流管通畅，避免扭曲及受压，每间隔1～2小时挤压引流管一次，颜色鲜红有出血的可能，定期替换引流瓶预防感染。

与正常血管相比,肿瘤血管往往缺乏有序的层次结构.当一个较大的血管分叉为较小的血管时,正常的微血管通常分叉为两支,而肿瘤微血管会出现分为三支的情况,且分支直径不均匀(图2).另外,肿瘤血管内血液流速与血管直径无关联性(Baish et al.2011),这有别于正常的微血管.在肿瘤内,血液的流动不均匀且随时间波动.某些血管中甚至可能出现血液反向流动的现象,这就造成肿瘤内一些区域血液灌注量很少甚至没有(Jain 1988).

肿瘤中也存在淋巴管,但其淋巴管不具有完整的功能.正常的淋巴管网络通过吸收组织内的多余液体来维持间质液压的平衡.肿瘤细胞在有限的空间内快速增殖使肿瘤内部产生应力.应力压迫肿瘤内的淋巴管,导致淋巴管功能缺失(Padera et al.2004),因而在肿瘤中会出现液体滞留.肿瘤血管的高通透性和淋巴管功能缺失导致的液体滞留,被称为增强的通透性与滞留效应(EPR效应)(Greish 2010,Jain&Stylianopoulos 2010).EPR效应可以被用来设计治疗肿瘤的纳米药物.

在冰冻地区，管道的埋深需要考虑冰冻深度。根据气温的特征，每个地区的冰冻深度是一个动态变化因素，而设计者往往仅是参考往年的冰冻数据，没有考虑实际情况，造成管道埋深过大或过浅，在后期的施工中需要重新调整埋深，影响施工工期，增加施工造价[4]。

  

图2

 

利用激光共聚焦显微镜得到的血管照片.(a)肿瘤中的血管,(b)正常的血管(Reitan et al.2010)

3.2 肿瘤内异常的代谢微环境

式中,D代表药物在肿瘤间质中的扩散系数.由于对流引起的药物浓度的变化则可以表示为

低pH值是肿瘤代谢微环境异常的重要标志之一.肿瘤中的H+来源于糖酵解产生的乳酸和二氧化碳水解形成的碳酸(Gabriel et al.2002,Pouyssegur et al.2006,周瑜2012).在肿瘤中,H+不断产生以及由于血管功能失调造成的H+排除能力的下降,会造成H+浓度的升高,从而降低了间质液的pH值.由图3可以看出,距离血管越远的肿瘤区域,其pH值越低,而在距离血管100～170µm之间,由于葡萄糖供给量的下降使得糖酵解受到限制(Helm linger et al.1997b),pH值呈现稳定状态.普遍的看法认为,低pH值和缺氧可能出现在肿瘤中同一个区域.然而,研究表明这两种现象并不具有空间相关性(Helm linger et al.1997b).这一方面可能是由于保持运输能力的血管中血液含氧量很低(Helm linger et al.1997b),无法给周围细胞提供足够的氧,但是其依然能运输代谢产物(Fukumura&Jain 2007).另一方面则可能是由于瓦伯格效应,即在氧充足的区域,肿瘤细胞仍可能通过糖酵解产生大量乳酸(Gatenby&Gillies 2004).

（1）电磁吸附工装的应用 目前电磁吸附工装在工件搬运及机械加工行业有着广泛的应用，采用磁力吸盘对铁磁性材料进行吸合固定，如机械加工车削、铣削、磨削、镗削、锻件模具加工的紧固工作。

  

图3

 

人结肠肿瘤中平均间质pH值和氧分压p O 2随距离最近血管距离的变化曲线(空心小正方形代表pH值,实心小三角形代表氧分压)(Helm linger et al.1997b)

3.3 间质高压和致密的间隙基质

在器官中,血管、淋巴管以及细胞之间存在着许多间隙,填充着间质液体构成的液体相以及间隙基质构成的固体相(Wiig et al.2010).这些间隙组分称之为间质.

间质液体包含水以及其中的溶质,如一些可溶性的糖类和血浆蛋白,其静水压力被称之为间质液压或间质内流体静压.肿瘤内血管和淋巴管的异常结构和功能导致间质液压升高.一方面,由于肿瘤血管与正常血管相比具有更强的通透性,诸如血浆蛋白之类的大分子可以透过血管壁进入肿瘤间质,从而使得间质的渗透压升高(Boucher et al.1996).另一方面,肿瘤中的淋巴管由于受到周围间隙基质的挤压,无法输运液体以及大分子,使得过量液体无法排除,造成肿瘤中的液体滞留以及间质液压的升高(Leu et al.2000,Padera et al.2002).除肿瘤边缘部分外,肿瘤间质液压均高于正常组织,且空间上均匀分布.而在肿瘤边缘,间质液压会迅速下降到正常组织中的间质液压值.肿瘤内平均分布的高间质液压造成相对较低的压力梯度,导致肿瘤间质中对流传质缓慢,从而降低治疗药物在间质中的输运效率(Chauhan et al.2011).

实体肿瘤的间隙基质主要由胶原蛋白、蛋白聚糖和葡糖氨基聚糖(glycosam inoglycans)等构成(Wiig et al.2010,Nagy et al.2012),因此其间隙基质通常具有显著的黏弹性(Netti et al.2000).在肿瘤细胞非均匀增殖造成的应力的挤压下,间隙基质会被压缩成为一个致密、曲折的网络(Chauhan et al.2009).并且越靠近肿瘤中心,间隙基质的密度越大(Mazin et al.2008).这种致密、曲折的网络会对纳米药物在肿瘤间质中的运输造成障碍.

4 肿瘤微环境中的应力

肿瘤细胞的一个典型特征是无限繁殖,但肿瘤本身的生长空间往往有限.因此,肿瘤生长到一定阶段时就会挤压周围的组织,使周围的组织产生径向和周向的应力,同时肿瘤内部也会产生很高的应力(Shieh 2011).实验表明,生长在琼脂糖凝胶上的球状肿瘤能产生40%的应变和超过10 kPa的应力(Helm linger et al.1997a).肿瘤的生长率和肿瘤周围组织的力学性质会影响肿瘤应力,同时应力也会引起肿瘤微环境的改变.下面将介绍肿瘤微环境中应力产生的原因、力学模型以及应力对肿瘤微环境的影响.

4.1 应力产生的原因

吴滨：我认为好设计的体现形式表现在它向人们传递出的氛围感受。很多人总认为设计离我们彼此的生活很远，但在我看来产生这样的感受很有可能是设计本身还没有与他们自身的审美与喜好匹配。社会中的每一个个体间差异很大，每个设计师研究的方向也有不同的差异，所以用更好的设计吸引人们与之交流、沟通才能抹平生活和设计之间的心里界限。

肿瘤生长对肿瘤与周围组织的相互作用有着很大影响.肿瘤在生长过程中会产生新的细胞和细胞外基质.这些新产生的细胞和基质不断累积,从而挤压周围组织,引起肿瘤和周围组织的变形甚至血管和淋巴管的塌缩,如图4所示.从图4可以看出,肿瘤细胞连同周围的间质细胞拉拽胶原蛋白并挤压透明质酸,其相互作用在肿瘤中累积应力.应力会挤压甚至压扁肿瘤中的血管,降低血液流速.肿瘤中的血管通常有许多缺口,导致血液穿过血管壁进入间质,从而引起间质液压的升高.血管的缺口以及对血管的挤压会降低血管的灌注率,甚至造成血液停滞.在宏观层面上,肿瘤会挤压周围的正常组织,而周围组织会阻碍肿瘤的生长(Jain et al.2014).除肿瘤细胞和间质细胞外,细胞外基质也能存贮和传递应力(Xue et al.2017).胶原蛋白和透明质酸是细胞外基质的主要组成成分.胶原蛋白具有较大的拉伸刚度,因此它主要承受拉应力.透明质酸具有结合水分子的能力,而水是近似不可压缩的,所以它能抵抗来自肿瘤内部的压应力(Jain et al.2014).Stylianopoulos等(2012)发现,降低肿瘤微环境中肿瘤细胞和间质细胞以及胶原蛋白和透明质酸的含量,能有效地降低肿瘤中的残余应力.

4.2 力学模型

  

图4

 

肿瘤微环境中的应力.肿瘤细胞连同周围的间质细胞拉拽胶原蛋白并挤压透明质酸,其相互作用在肿瘤中累积应力.应力会挤压肿瘤中的血管,降低血液流速(Jain et al.2014)

近年来,科学家们提出了多种力学模型来研究肿瘤的力学响应(Ambrosi&Mollica 2002,Sarntinoranont et al.2003,Stylianopoulos et al.2012,Xue S L et al.2016).这些模型关注2个重点:第1是肿瘤生长引起的肿瘤的质量与应力变化;第2是肿瘤的本构关系.对于前者,目前主要采用变形梯度的乘法分解来描述.这个理论最早被用于描述弹塑性问题中的有限变形(Lee 1969),后被广泛应用于描述生长的物体的变形,例如动脉、胃肠道、心脏、大脑、植物组织等(Taber 1995,Hum phrey 2003,Goriely et al.2010,Ambrosi et al.2011,Li et al.2011,Moulton&Goriely 2011,Menzel&Kuhl 2012,Budday et al.2014,Balbiet al.2015,Holland et al.2015).Ambrosi和Mollica(2002)以及Xue S L等(2016)认为,肿瘤的变形梯度F可以分解成两部分,一是肿瘤在无约束生长条件下,由于肿瘤细胞和基质的增大而引起的生长变形梯度G,二是由于外界施加的载荷或肿瘤内部的应力引起的弹性变形梯度A,如图5所示.因此变形梯度F可以表示为

 

从参考构型到中间构型,肿瘤的密度没有发生变化,只是体积发生了变化.鉴于大多数生物学文献中用生长率Γ(单位时间单位质量的变化量)来描述肿瘤生长,Xue S L等(2016)建立了G与肿瘤生长率Γ之间的关系,认为肿瘤生长可以看作一个质量源,

  

图5

 

变形梯度乘法分解示意图(中间构型处为无应力状态,且密度与参考构型的密度相同)

从t时刻的当前构型任取一个微元,则微元质量的变化满足如下方程

 

式中,J代表变形梯度F的行列式.考虑到肿瘤的密度不随时间变化,则

农机深松整地技术推广是农业生产过程中的重要任务，为了促进农机推广工作顺利推进，必须要对推广管理体制进行完善。由于在传统的农机推广过程中对农机深松整地技术的推广工作不够重视，导致一部分推广人员有所懈怠。对此，相关部门必须要明确农机深松整地技术的重要性，加强对农机深松整地技术推广工作的安排，需要在原有的工作制度基础上进一步完善。例如要加强对农机深松整地技术人员的考核，将人员的考核与推广工作结合起来，完成推广任务的人员可以获得相应的奖励，没有完成任务的人员将会受到一定惩罚，以奖罚分明的措施带动技术人员的积极性，使其加深对农机推广工作的认识，深入到基层，对群众开展教育和引导。

 

肿瘤的生长率Γ不仅与营养成分等生物和化学因素有关,还与肿瘤中的应力相关.Xue S L等(2016)认为,无血管实体肿瘤的生长满足如下规律

 

式中,是一个非负的标量函数,代表第α种营养物质对肿瘤生长的贡献,当降低至维系细胞生存所需要的临界值的时候,趋近于0,即肿瘤停止生长,W 代表肿瘤的自由能密度(应变能密度),W h代表肿瘤新增质量的自由能密度,b H代表生化力,驱动组织生长进入自平衡状态(DiCarlo&Quiligotti2002).如果肿瘤新增质量的自由能密度W h=0,此时肿瘤生长的驱动力包括生化力b H以及Eshelby应力

 

在一些文献中,b Eshelby被看作组织生长的驱动力(DiCarlo&Quiligotti 2002,Ambrosi&Guana 2007,Dunlop et al.2010).

对于本构关系,通常认为肿瘤是均匀的、各向同性的超弹性体,且具有可压缩性(Ambrosi&Mollica 2002,Stylianopoulos et al.2012).Ambrosi和 Mollica(2002)认为肿瘤是一种Blatz-Ko材料,其应变能密度函数可以写为

 

式中,I1,I2和I3是A T·A的不变量,α,f和q均为材料常数,要求α＞0,0＜f≤1,q＜0.Stylianopoulos等(2012)认为,肿瘤是可压缩的neo-Hookean超弹性材料,其应变能密度函数为

 

式中,G和κ分别代表肿瘤的剪切模量和体积模量,J e是弹性变形梯度A的行列式.

此外,由于肿瘤中既包含由胶原蛋白、蛋白聚糖、细胞以及血管构成的固体相,又包含由间质液和血液构成的液体相,流固混合模型常被用来描述肿瘤的力学行为(Hum phrey&Rajagopal2002,Sarntinoranont et al.2003,Ambrosiet al.2011,Oden et al.2015,Xue S L et al.2016).其中,最常用的是Biot(1941)的多孔介质模型.该模型认为作用在微元上的应力由两部分组成,一部分是固体骨架的应力,另一部分是液体压力,这样,对于线弹性材料,有如下的本构关系

 

式中,E和ν分别代表固体骨架的弹性模量和泊松比,θ代表体积应变,p代表液体的压强.

4.3 应力对肿瘤微环境的影响

应力对肿瘤微环境的影响不仅体现在细胞层面上,也体现在组织层面上.在细胞层面上,应力会挤压肿瘤细胞和间质细胞,改变细胞的基因表达,影响肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移,也影响间质细胞的功能和细胞外基质的合成(Helm linger et al.1997a,Tom asek et al.2002,Paszek&Weaver 2004,Cheng et al.2009,Wipff&Hinz 2009,Dem ou 2010,Tse et al.2012).Cheng等(2009)研究了聚合物基体内的球形肿瘤的生长过程,通过改变琼脂糖的浓度来调节肿瘤所受的压应力.他们发现,压应力能抑制肿瘤细胞的增殖,并通过影响线粒体导致细胞凋亡;并且对肿瘤施加不均匀的载荷,在压应力高的区域,细胞会凋亡,而在压应力低的区域,细胞仍然可以繁殖.这表明肿瘤会倾向于沿应力低的方向生长(Jain et al.2014).Tse等(2012)发现,压应力能增强肿瘤细胞的侵袭表型.Koike等(2002)发现,在小鼠的前列腺癌细胞中,应力影响细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的黏附以及透明质酸的合成.在肿瘤微环境中,应力除了影响肿瘤细胞以外,也会对其他一些非肿瘤细胞产生影响.比如,在诸多类型的肿瘤之中,都发现存在肿瘤相关成纤维细胞.研究人员怀疑这可能是由于肿瘤生长产生的应力引起了成纤维细胞的变异.随后的研究表明,拉力或压力的确能促进成纤维细胞变异成为肿瘤相关成纤维细胞(Choe et al.2006,Wipff&Hinz 2009,Chan et al.2010,Yao et al.2010,Wang et al.2012).应力对肿瘤微环境中其他类型细胞的影响尚不明确,但是有研究指出巨噬细胞可能对压应力敏感(Cho et al.2010).

在组织层面上,肿瘤生长所产生的压应力会压缩间隙基质,引起血管和淋巴管的塌缩.血管的塌缩一方面可能会影响营养物质、氧、代谢废物以及药物在肿瘤中的输运(Helm linger et al.1997b),导致肿瘤内形成低氧、低pH值和低营养区域.另一方面,由于免疫细胞需要血管网络在体内不断循环,血管的塌缩能保护肿瘤细胞免受免疫系统的攻击(Huang et al.2013,Jain 2013).压应力引起的淋巴管的塌缩则会导致肿瘤内的多余液体无法排除,引起间质液压升高.此外,压应力还会把肿瘤微环境中的间隙基质压缩成为致密、曲折的网络,增大纳米药物的输运难度(Chauhan et al.2009).

5 肿瘤微环境中纳米药物输运的力学问题

高效的、具有靶向性的治疗药物是抗癌药物发展的一个重要方向.近年来,人们尝试利用纳米颗粒作为药物载体来靶向治疗肿瘤细胞.因为纳米颗粒可以把小分子药物聚集起来,提高药物对肿瘤的疗效(A llen&Cullis 2004,Laginha et al.2005),并避免多余的药物进入正常组织(White et al.2006).纳米颗粒作为药物载体从进入血液循环系统到进入肿瘤细胞,要经历一个漫长而又复杂的过程,如图 6所示.这个过程大致分成4个阶段,即在血管中的输运、穿透血管壁的输运、在肿瘤间质中的输运以及进入肿瘤细胞(Jain 1997,胡笑梅等2013).在这4个阶段中纳米颗粒自身的性质和肿瘤微环境的特点对纳米颗粒的输运效率有着重要影响,其中一些关键因素包括纳米颗粒的尺寸 (Choi et al.2007,Choi et al.2010)、形状(Cham pion et al.2007,Geng et al.2007,Wang&Shi 2017)、刚度(Sun et al.2015)和表面的理化性质(Storm et al.1995,Longm ire et al.2008)、肿瘤内部的应力(Endrich et al.1979,Baish et al.2011)、异常的血管和淋巴管结构、间质高压和致密的间隙基质等.

5.1 纳米药物的输运

纳米药物进入循环系统后,首先由血流运输到肿瘤中,再通过肿瘤内部的血管网络分散到肿瘤的各个区域(Chauhan et al.2011).在这个过程中,血液流动扮演着重要的角色.然而,由于肿瘤血管高度复杂的结构,建立血液的流动模型较为困难(Jain et al.2014).因此在许多研究中,假设血液为满足Poiseuille方程的一维理想流动(Baish et al.1997,Pozrikidis&Farrow 2003,Chauhan et al.2012)

  

图6

 

纳米药物从循环系统进入肿瘤间质示意图 (基膜是一种由特殊的细胞外基质蛋白构成的厚度为50～100nm的薄膜,通常位于单层细胞膜的底外侧,间隙基质是细胞与细胞间隙中的固体成分,基膜和间隙基质都属于细胞外基质)(Chauhan et al.2011)

 

式中,∆P是沿着血管方向长度变化L的压强差,r表示血管半径,µapp是表示血浆和细胞流变学性质的表观黏性系数,其不仅取决于血液中的红细胞密度,还与血管直径有关,称之为 F˚ahræus-Lindqvist效应 (Fahraeus&Lindqvist 1931,Pries et al.1990).

由于肿瘤中血管壁和血管基膜的不完整性 (Hashizume et al.2000,Raghu 2003,Dudley 2012),纳米颗粒可以通过对流和扩散的方式穿透血管壁,进入肿瘤间质.而药物的扩散通量J t,D取决于血浆中的药物浓度C v、间质中的药物浓度C i、血管表面积S v和血管的通透系数P t,表示为

 

为了提高药物在肿瘤中的输运,Jain等(1997)提出了间隙基质的正常化策略.所谓基质正常化,即通过降解胶原蛋白和糖胺聚糖链来提高药物在基质中的输运能力,并软化基质以促进血管重新张开.在胶原含量高的肿瘤中用细菌胶原酶降解胶原基质,可以使抗癌靶向药物IgG(水动力学半径为4.5nm)的扩散速度加倍,使HSV(水动力学半径为75nm)在肿瘤中的分布面积呈3倍增长(Netti et al.2000,McKee et al.2006).金属蛋白酶(如MMP-1和MMP-8)能降低肿瘤中糖胺聚糖链的含量并增强间质中的液体对流,从而增大纳米药物在肿瘤中的分布(Mok et al.2007).Xue等(2017)基于非平衡热力学理论建立了刻画酶降解肿瘤间隙基质的力学模型,解释了上述实验现象.此外,激素松弛素、转化生长因子β阻断剂等也均可通过调节胶原纤维的含量或结构,来提高药物在间质中的输运效率(Perentes et al.2009,Liu et al.2012).另一方面,降解胶原纤维或糖胺聚糖链均会释放肿瘤内部的残余应力,削弱基质对肿瘤血管的压迫,使部分闭合的血管张开,促进血液灌注,增强药物在肿瘤血管网络中的输运,提高治疗效果(Stylianopoulos et al.2012,Chauhan et al.2013).

 

 

式中,∆p t是血管内外静水压差,σ是渗透反射系数,∆Π是血管内外渗透压差,K t是渗透系数,σs是溶质的反射系数.而总的药物通量为Pe表示Pclet数.通透系数P t和渗透系数K t取决于血管壁和基膜的生理特性(黏弹性和孔隙性)以及药物或药物载体的理化特性(尺寸、电荷和形状)(Chauhan et al.2011).

药物进入肿瘤间质后,可以通过扩散和对流到达目标细胞(Chauhan et al.2011).由于扩散引起的药物浓度的变化可以通过扩散方程来表示,即

 

代谢是生物体内所发生的用于维持生命的一系列有序的化学反应的总称,代谢微环境指细胞周围的氧、营养物质以及代谢废物所构成的环境.缺氧和低pH值是肿瘤中代谢微环境异常的重要标志(Fukumura&Jain 2007,周瑜2012).肿瘤中血管网络分布和细胞增殖不均匀导致肿瘤内部氧供给和消耗不均匀,进而形成缺氧区域.由于氧在血管外的扩散距离限制在100～200µm(K rogh 1929),因此远离血管的区域会慢性缺氧.此外,肿瘤血管中的血液流动通常是间歇性的,这就导致肿瘤中的一些区域呈周期性缺氧(Brown&Giaccia 1998).肿瘤中异常血管网络造成的血液输运时间的延长,也是导致肿瘤组织缺氧的重要原因(Dai&Jain 2007).

 

式中,v i=−K i▽p i,K i代表间质的渗透系数,▽p i代表静水压梯度.D和K i取决于间质的性质和药物或药物载体的性质,例如间质中高分子的浓度以及药物的形状尺寸.除了上述理论分析外,许多学者还利用分子动力学模拟的方法来研究纳米药物在肿瘤间质中的输运.

“两高”《关于涉以压缩气体为动力的枪支、气枪铅弹刑事案件定罪量刑问题的批复》，要求需要结合枪支的致伤力大小、行为人的主观认知、动机等主客观因素，确保罪责刑相适应。可以说，这种规定既是回应、回归一般公众认知，也是对法益认识的转向。

5.2 肿瘤微环境的特殊性对输运的影响

肿瘤微环境的特殊性对纳米药物的输运既是机遇也是挑战.一方面,由于肿瘤中存在EPR效应,携带药物的纳米颗粒可以较容易地进入到肿瘤组织中,而被其他正常组织拒之门外(Jain&Stylianopoulos 2010,Setyawatiet al.2015).另一方面,当药物进入肿瘤组织后,肿瘤中较高的应力、致密的间隙基质以及异常的血管网络却成为药物进一步输运的障碍.例如,肿瘤中血管的高度曲折(Dvorak et al.1995)、血管横截面积的减小(Sevick&Jain 1989,Baish et al.1996)以及由于血管高通透性引起的血液黏性的提高(Sevick&Jain 1989,Less et al.1997,Sun et al.2007)都会降低药物在血管中的输运效率.间质液压的升高则会降低肿瘤间质和血管之间的压强差(Boucher&Jain 1992,Tong et al.2004),从而降低药物跨血管壁的输运效率.而肿瘤组织中多余液体的滞留会使除肿瘤边缘以外的其他区域间质液压梯度降低,直至消失(Boucher et al.1990,Boucher&Jain 1992),使对流引起的药物输运丧失,药物只能通过扩散的方式在间质中输运(Chauhan et al.2011),极大地削减了间质输运的效率,导致药物的渗透距离变短,局部富集在血管周边区域.此外,肿瘤组织中致密的间隙基质会减少药物扩散的自由空间,增大药物从血管到目标细胞的路径长度,间接地增大了扩散的难度(Chauhan et al.2009).而间隙基质中的胶原蛋白和透明质酸会增大间质液体的黏性,根据 Stokes-Einstein公式,D=k B T/(6πµr),间质液体黏性µ的提高会降低药物的扩散系数.进一步研究表明,胶原纤维的含量(Nettiet al.2000,Ram anujan et al.2002)、组织结构(Brown et al.2003)以及取向(Stylianopoulos et al.2010a)均对药物的扩散有影响.除此之外,胶原纤维和透明质酸等高分子聚合物的存在还可能使药物的扩散表现出非高斯特性(non-Gaussianity)(Xue C D et al.2016).

5.3 纳米药物的性质对输运的影响

间质细胞指肿瘤微环境中除肿瘤细胞以外的其他多种细胞,包括成纤维细胞(fibroblast)、血管内皮细胞、淋巴管内皮细胞、免疫细胞等(Witz&O rlev 2006).最近的研究表明,间质细胞在肿瘤演化过程中并非充当被动的旁观者的角色.肿瘤细胞和间质细胞之间存在着一个双向、动态的相互作用(Liotta&Kohn 2001).

纳米药物尺寸对输运的影响广受关注.在不同的输运阶段,药物尺寸的影响不同.在血液循环过程中,小于5～6 nm的纳米药物在通过肾小球毛孔时会被快速清除(Choiet al.2007,2010),而药物尺寸的增大会增大肝脏和网状内皮对纳米药物的清除效率(Popovic et al.2010).在穿过血管壁进入肿瘤间质的过程中,尺寸较大的药物颗粒往往受阻(Hobbs et al.1998,Hashizume et al.2000),当药物尺寸大于血管壁的孔洞尺寸时,药物颗粒很难从孔洞中通过.在细胞间隙中输运时,增大药物的尺寸会增大扩散的难度.研究表明,在肿瘤间质中,直径大于5～8nm的颗粒,会由自由扩散转变为反常次扩散(Netti et al.2000),即药物颗粒的均方位移(mean square disp lacement,MSD)与时间呈现非线性的关系,∆r2～tα(α＜1).最后在肿瘤细胞摄取纳米药物时,药物尺寸的影响依然存在.Osaki等(2004)发现,细胞内吞50nm的颗粒效率最高.随后实验(Chithrani et al.2006)同样发现,50nm的球形金纳米颗粒具有最高的细胞内化效率.因此设计在不同输运阶段尺寸可变的药物可以提升药物的运输效率(Wong et al.2011).

药物的表面性质在药物输运过程中扮演着复杂的角色.在血管输运过程中,药物的清除率很大程度上依赖于药物或药物载体的表面性质(Longm ire et al.2008,Franzen&Lommel 2009).例如在颗粒表面修饰聚乙二醇等类似的聚合物可以中和颗粒表面的电荷,使药物颗粒免遭Kupffer细胞或肝细胞的摄取,也可以使颗粒逃避血清蛋白的调控作用(K libanov et al.1990,Storm et al.1995,Peracchia et al.1999).在穿过血管壁进入肿瘤间质时,带正电的颗粒更容易与血管内皮细胞结合,使得其相比于中性或带负电的颗粒更容易进入肿瘤间质(Thurston et al.1998,Dellian et al.2000,Cam pbell et al.2002,K rasnici et al.2003,Schm itt-Sody et al.2003).在间质中输运时,中性纳米颗粒则更有优势.因为肿瘤间质中的葡萄糖氨基聚糖带负电,而胶原带正电(Lieleg et al.2009,Stylianopoulos et al.2010b),带电的药物颗粒很容易与间质中的纤维结合,从而降低间质输运的效率.此外电荷之间的相互作用还可以使药物颗粒聚集在一起,使药物尺寸增大,从而增大扩散的难度(Dowd et al.1999,Nettiet al.2000,Mok et al.2007,Thorne et al.2008,Lieleg et al.2009).在肿瘤细胞摄取纳米颗粒时,合理的表面修饰可以显著提高摄取效率(王九令等2015).由于细胞膜表面呈负电性,携带正电荷的颗粒通常可以获得更高的摄入效率(Verma&Stellacci2010).配体蛋白在颗粒表面的分布也对细胞的摄取有着重要影响.Verma等(2008)通过实验发现,当颗粒表面交替分布条带状的阴离子和疏水配体的时候,颗粒更容易进入细胞内部且不会造成细胞膜的破坏.理论和分子模拟证实了配体分布的重要性(Van Lehn&A lexander-Katz 2011,Li et al.2012,Gkeka et al.2013,Liet al.2014).

除了尺寸和表面性质外,纳米颗粒的形状也会影响到纳米颗粒的输运.Geng等(2007)发现,在血液运输中,线状的纳米胶束相比于球状的纳米颗粒具有更长的血液循环半衰期.造成这个现象的原因可能是流体和聚合物的相互作用(Geng et al.2007,Gentile et al.2008,Lee et al.2009).流体可以降低细长棒状颗粒和细胞表面之间的黏附作用,从而降低颗粒被细胞摄取的概率.而球形颗粒受流体的影响相比于棒状颗粒要小,被细胞摄取的概率要大,因此球形颗粒的半衰期比线状纳米胶束短.而对于长短不同的线状纳米胶束,可以用Weissenberg数W i(表示聚合物在流体中的伸展)来估计它们与流体相互作用的强弱(Truong et al.2015)

不同于园区的“新区域建设”，“场景”是根植于城市的文化中，有当地的社区作为保障的空间形式。因此，它的功能往往是多元的。在一个场景中，它可能不仅服务外来的文化消费者、吸引的文化资本，还服务于当地的居民，甚至是偶尔路过的人群。这和“文化创意产业孵化园”“文化创意产业集聚区”“文化创意产业园”等将文化从城市中抽离的“孤岛式建设”有很大的区别。以往，大量“文化中心”、“艺术中心”、大型音乐场馆等通过城市批出专门用地建设在远离人群的区域。这一做法否定了文化与日常生活的巨大联系[3]。

 

肿瘤细胞与周围细胞以及细胞外基质之间的黏附与解离对肿瘤细胞的转移起着重要作用 (Schm id-Schonbein 2006,Mierke 2014,Li et al.2015).首先,在肿瘤细胞转移的开始阶段,肿瘤细胞会分泌 ADAM-10和 ADAM-17等脱落酶,切断细胞与细胞之间的黏附分子,诸如NOTCH受体和E钙黏素等,使细胞间发生分离(Brou et al.2000,Itoh et al.2008,Li et al.2008,Bozkulak&Weinm aster 2009,Ried le et al.2009,Singh et al.2009,van Tetering et al.2009).而细胞间黏附的减弱会传递信号,导致核易位(nuclear translocation),并诱导促进细胞运动的基因表达,从而促进肿瘤细胞的转移(Mierke 2014).细胞间黏附蛋白的降解还会改变细胞间的黏附力,引起细胞骨架的重组,进一步改变细胞的刚度,增大细胞的变形能力,使细胞更容易穿过肿瘤间质和血管内皮细胞之间的间隙进入血液循环.此外,脱落酶ADAM-17可以使暴露在肿瘤细胞表面的pro-TNF-α分离,向肿瘤微环境中释放TNF-α(Black et al.1997).TNF-α的释放会激活周围的内皮细胞,使内皮细胞分泌趋化剂,诱导肿瘤细胞向血管或淋巴管迁移(Mierke 2014).

6 肿瘤微环境的正常化

6.1 肿瘤血管的正常化

肿瘤血管能为肿瘤组织提供营养,运走代谢产物,有助于肿瘤的侵袭、转移和恶化进程.传统的抗肿瘤血管生成药物的治疗目的是通过抑制肿瘤组织血管的新生以及摧毁已经存在的血管,从而使肿瘤组织处于无血管、无营养的状态.多种抗肿瘤血管生成的药物 (如血管内皮生长因子特异性阻断剂贝伐单抗和酪氨酸激酶受体抑制剂索拉非尼等)已经被批准进入临床使用(Carmeliet&Jain 2011).

临床实践表明,贝伐单抗仅在与其他化学疗法或免疫疗法共同作用时才具有一定的抗肿瘤疗效(Hurw itz et al.2004).抗血管生成疗法的初衷是摧毁已经存在的血管,而化学或免疫疗法则需要血管网络作为药物的输运通道.那么,减少血管为什么能增强与抗血管生成疗法同时进行的化学或免疫疗法的疗效呢？为解释此类现象,Jain(2001,2005)提出了肿瘤血管正常化治疗策略,其认为抗血管生成药物实际上改善了血管网络的输运功能,因此可以增强同时服用的化学药物的治疗效果.随后,Jain研究组通过动物实验和临床观察证实了抗血管生成药物确实使得肿瘤血管网络向正常组织的血管网络发展(Willett et al.2004,Winkler et al.2004).诸多临床研究结果显示,运用多种单克隆抗体、多肽和激酶等均可使得肿瘤组织血管正常化(Carm eliet&Jain 2011).

肿瘤血管正常化涉及复杂的生化机制.肿瘤新血管的生成是由于促血管生成因子和抗血管生成因子间的失衡导致的(Jain 2005).在正常组织中,这些因子保持平衡,以维持血管系统的正常结构,确保最佳的功能.然而在肿瘤中,促血管生成因子过度表达,使平衡向血管生长方向偏移,导致无序血管的生成.因此,合理利用抗血管生长药物可以恢复这种平衡,使血管系统恢复到较正常的状态.通过抑制促血管生成因子(如阻断VEGF),会引起未成熟血管的修剪、血管密度、直径和弯曲程度的减小,并将血管系统重建成正常的血管网络(Jain 2005).因此,肿瘤血管中的血液灌注明显增强,进而药物在肿瘤血管中的输运得到显著改善.同时,血管壁的孔洞得以修复,血管通透性降低,这使得间质液压显著下降,同时跨血管壁的液压梯度得以恢复.由此,药物、氧和营养分子(如葡萄糖)可以深入地渗透进肿瘤.另外,血管正常化还可增强免疫细胞的输运,促进肿瘤微环境从免疫抑制型向免疫促进型转变,由此增强免疫疗法的疗效.总之,抗血管生成疗法可以逆转血管的异常状态,提高药物、氧和营养的输运,降低组织间质液压,从而增强放射、化学和免疫疗法的治疗效果.

需要注意的是,肿瘤血管的正常化一般仅在短时间起作用.因此,在联合其他疗法进行治疗时要注意血管正常化的时间区间(time window of norm alization)(Jain 2005).同时,抗血管生成药物的剂量也会影响正常化的效果.高剂量的抗血管生成药物会导致血管的过度修剪,破坏血管网络的完整性,此时肿瘤血管网络的输运性能不仅得不到改善,而且有可能被进一步削弱.此外,当同时使用抗血管生成疗法与化学疗法时,化学药物的尺寸不宜过大.肿瘤血管正常化后,血管壁孔洞变小,大尺寸纳米颗粒通过血管壁的量减小,这会削弱甚至抵消通过增大灌流和跨血管壁压力梯度所提高的输运效率(Jain 2013).

6.2 肿瘤间隙基质的正常化

肿瘤间隙基质主要由胶原纤维网络和穿插其间的糖胺聚糖链(GAGs)构成(Levick 1987).Netti等(2000)发现,大分子在胶原纤维含量高的肿瘤中的扩散速度很慢.随后,Brown等(2003)利用二次谐波显微镜证实了胶原纤维会限制大尺寸药物颗粒的运动.药物颗粒在肿瘤间质中的输运能力取决于间质中固体相的体积分数,即胶原蛋白和糖胺聚糖的含量.此外,胶原纤维网络维持间隙基质的结构完整性,并赋予其较大的抗拉性能.而糖胺聚糖链可以与水分子结合,形成具有抗压能力的水凝胶.因此,肿瘤间隙基质具有承受和传递力的能力(Nettiet al.2000,Stylianopoulos et al.2012).在肿瘤内部,血管周围的间隙基质与细胞一起对血管施加压缩载荷,导致部分血管发生闭合,从而影响血液灌注和药物在血管中的输运.总之,肿瘤间隙基质通过胶原纤维和糖胺聚糖链直接阻碍药物渗透,或通过压迫血管间接限制药物输送.

与之类似,对流引起的药物通量可以表示为

于洪：上海财经大学中国公共财政研究院副院长、副教授、博士生导师，主要研究领域为社会保障，财税理论与政策

7 肿瘤细胞转移的力学问题

肿瘤转移(metastasis)是癌症致死的最主要原因,与癌症相关的死亡病例中大约有 90%都是由肿瘤转移造成的(Weigelt et al.2005,Chaffer&Weinberg 2011).但是到目前为止,肿瘤在何种情况下发生转移仍然不清楚(Mierke 2014).肿瘤转移的机理仍然是癌症研究的难题.一般而言,肿瘤转移过程大致分为以下几个步骤:肿瘤细胞从原发部位脱离、迁移浸润周围组织、进入血管成为循环肿瘤细胞(circulating tumor cell,CTC)、通过血液循环运输至全身、外渗出血管、形成转移瘤(王璟等2015).

传统看法认为,肿瘤细胞从原发部位的脱离始于上皮细胞向间充质细胞的转化(epithelial-to-mesenchymal transition,EMT)(Led ford 2011,王璟等 2015,Diepenbruck&Christofori2016,Wei&Yang 2016).上皮细胞有较多的E钙联蛋白,因此细胞之间保持着较大的黏附.而间充质细胞E钙联蛋白的表达量下调,细胞之间的黏附减弱,细胞迁移能力提高.当肿瘤细胞开始转移时,上皮细胞转换为间充质细胞,细胞与细胞之间的黏附减弱,细胞与基质之间的黏附也发生改变,细胞获得较大的迁移能力,随后穿过原发瘤的基底细胞和基膜进入肿瘤的微环境.进入肿瘤微环境后,转移的肿瘤细胞在趋化剂(或其他内皮细胞分泌的化学物质,如细胞因子和细胞外基质蛋白)梯度的引导下感知到血管和淋巴管内皮细胞,然后破坏内皮细胞之间的连接,进入血管和淋巴管(intravasation)(A litalo&Detmar 2012,Mierke 2014),并随血液循环进入其他器官.当肿瘤细胞到达合适的位置后,其黏附到血管或淋巴管的内侧,在管道内部形成二次瘤,或者是穿过内皮细胞(extravasation),在组织中形成二次瘤,也可以以休眠细胞的形式存在于血管中(Ghajar et al.2013),如图7所示.但是,关于EMT是否是肿瘤转移的一个必需过程尚未有定论.虽然EMT理论在实验室培养的细胞和动物模型上获得支持(Yang&Weinberg 2008),但该理论还没有真正在人体肿瘤转移过程中得到证实(Led ford 2011).最近的一项研究表明,在自发性乳腺癌肺转移小鼠模型中,EMT并非必需的条件(Zheng et al.2015).

在过去的一段时间里，学生大多是在实体店进行消费的，但是现在，随着网络的普及，学生们也会借助购物网站、微店、代购等来进行消费，消费方式呈现出多元化的发展趋势。

当肿瘤细胞从原发肿瘤脱离时,存在着破坏力和细胞之间黏附力的相互竞争,当前者较大时,肿瘤细胞易于脱离原发瘤.而肿瘤细胞脱离后的转移过程还会受到细胞外基质的刚度、细胞骨架的重构、黏附与解离作用、间质液或血液流动的剪切力等力学因素的影响.因此,从力学角度出发去研究肿瘤转移过程十分必要.

7.1 细胞外基质的刚度

细胞外基质的刚度在肿瘤发展和转移过程中起着重要作用.例如,对于乳腺癌患者而言,乳腺肿瘤刚度越高往往意味着肿瘤转移风险的增大和存活率的降低(Provenzano et al.2008,Conklin et al.2011,Yu et al.2011,Wei&Yang 2016).实验表明,在体外的3D培养系统小鼠模型中,提高外基质的刚度能提高肿瘤细胞的侵略性(Paszek et al.2005,Butcher et al.2009,Levental et al.2009).

细胞可以通过相互连接的、多层次力学—化学系统,包括黏附受体(如整合素)、细胞黏着斑、细胞骨架以及分子马达来感受和响应细胞外基质的力学或其他生理信号(Janmey 1998,Giancotti&Ruoslahti1999,Bershadsky et al.2003,Lele&Kumar 2007,Ingber 2008,姜宗来2017).肿瘤的细胞外基质相比于正常组织往往具有更高的刚度,例如乳腺肿瘤的间质刚度是正常乳腺的5～20倍(Paszek et al.2005).而细胞外基质的刚度对细胞的行为有着重要影响(Shan et al.2014,Nagelkerke et al.2015,Cheng et al.2016,Yong et al.2016).Fu等(2010)发现,细胞的牵引力、细胞的铺展面积以及黏着斑的总面积随着基底刚度的增大而增大.Qian等(2008,2009)借助蒙特卡洛模拟,研究了基底刚度对黏着斑的强度和寿命的影响(2008,2009).He等(2014)将细胞简化成一个受均匀预应变的圆盘,将黏附分子简化成连接细胞外基质和细胞的弹簧,解释了细胞牵引力随细胞外基质刚度增大的机制(图8).而细胞牵引力的增大会破坏细胞与细胞之间连接的完整性.进一步研究发现,控制细胞外基质的刚度以及与刚度相关的细胞收缩性,可以促进细胞从上皮细胞转变为间充质细胞(Kumar&Weaver 2009).Paszek等(2005)发现,刚度较高的基质凝胶可以改变整合素的亚型表达,提高黏着斑强度,破坏腺泡的架构,从而增强乳腺上皮细胞的侵略性.因此肿瘤间质异常高的刚度可能有利于肿瘤细胞的转移.但是,存在争议的是,研究基底的刚度对肿瘤细胞影响的体外实验大多数采用2D肿瘤模型,也就是将肿瘤细胞培养在二维的基底上,使

细胞在基底上形成细胞单层(monolayer)(Asghar et al.2015).在这种情况下,细胞有近乎一半的面积与基底接触,这可能会改变基底与细胞之间的相互作用(Guo et al.2016,Liet al.2016).2D模型的实验结果与真实情况的差异尚不清楚,因此有必要进行体内实验或者体外的3D肿瘤模型实验.

  

肿瘤转移过程示意图(Diepenbruck&Christofori2016)

  

图8

 

细胞基底交互作用的收缩圆盘模型.(a)由于细胞的收缩性,黏附在基底上的细胞会拉拽基底;(b)细胞被简化成一个可收缩圆盘,通过分子键(被简化成弹簧)与基底连接(He et al.2014)

另一方面,刚度较高的细胞外基质会阻碍肿瘤细胞穿过肿瘤间质进入循环系统,成为肿瘤细胞转移的一个障碍.肿瘤相关成纤维细胞分泌的基质金属蛋白酶可以降解致密的细胞外基质,帮助侵略性的肿瘤细胞穿过细胞外基质.

7.2 细胞骨架

细胞骨架是指存在于真核生物细胞中的纤维性网络结构,主要包含3类细胞骨架纤维:肌动蛋白丝、中间丝和微管.作为一种主动结构,细胞骨架的聚合和收缩为肿瘤细胞迁移、入侵周围组织提供驱动力(Olson&Sahai 2009).作为一种承载结构,细胞骨架决定了细胞的刚度和变形能力,从而影响其穿透复杂的肿瘤间质网络或血管壁的能力(Rolliet al.2010).因此,细胞骨架在肿瘤细胞的转移过程中扮演着重要的角色.

真核细胞的运动能力主要来自于肌动球蛋白聚合而成的微丝 (Pollard&Borisy 2003,Rafelski&Theriot 2004).在细胞中,肌动蛋白常常在靠近细胞膜的地方发生聚合.肌动蛋白的聚合作用可以推动细胞膜,使其发生流动,从而引起细胞膜形状的改变.也有观点认为是静水压或囊泡的输运作用引起了细胞膜的流动(Olson&Sahai2009).肌动蛋白丝还参与形成伪足,伪足会附着在细胞外基质上,为细胞的迁移提供驱动力.Condeelis和Segall(2003)发现,肿瘤细胞在迁移前会伸出伪足,附着在细胞外基质的纤维上,然后朝着血管的方向爬行.

在肿瘤细胞转移的过程中,当肿瘤细胞穿过由胶原纤维形成的复杂网络或基质膜时,一方面肿瘤相关成纤维细胞分泌的基质金属蛋白酶可以降解致密的细胞外基质,帮助肿瘤细胞穿透细胞外基质;另一方面,肿瘤细胞可以在细胞外基质的挤压下,调节自身的形状,从而穿过细胞外基质的孔隙(Wolf et al.2007).细胞的变形需要借助细胞骨架的重构来完成.Seufferlein和Rozengurt(1995)、Beil等(2003)发现,生物活性的磷脂神经鞘氨醇磷酸胆碱(sphingosylphosphorylcholine,SPC)可以引起角蛋白网络的重构.而角蛋白纤维是中间丝的一种,角蛋白网络的重构可以降低细胞的刚度,提高细胞的变形能力.Rolli等(2010)利用管道宽度为7µm的微流控芯片研究胰腺肿瘤细胞的迁移,发现用SPC处理过的细胞的迁移速度是未处理过的细胞的3倍.而最近的一项研究发现,通过β肾上腺素受体(β-adrenergic receptor,β-AR)处理过的细胞,虽然变形能力减弱,但是其入侵能力却得到了加强(K im et al.2016).细胞的变形能力究竟在肿瘤的转移过程中扮演怎样的角色,仍需要更多的研究.值得思考的是,在不同的转移阶段、不同的环境下(如细胞外基质刚度、细胞与基底的黏附作用),细胞的变形能力可能会对其侵略能力产生不同的影响.

7.3 黏附与解离

式中,v代表流体的速度,τ代表纳米颗粒的弛豫时间,d代表细胞的直径.可以看出短的纤维胶束的弛豫时间越短,所受流动的影响小,进而其被清除的概率就越大,其半衰期也就越短(Macdonald et al.1991).线状纳米胶束还更容易跨越血管屏障进入肿瘤组织.Christian等(2009)发现,不同于球状颗粒通常聚集于肝、肾等排毒器官,纳米胶束更容易在肿瘤中聚集.此外,纳米颗粒的形状还会影响其扩散速度.Pluen等(1999)在体外的琼脂糖扩散研究中发现,柔性的棒状纳米颗粒相比于相同水动力学半径的刚性棒状颗粒以及球形颗粒具有更强的机动性.线状纳胶束在布满纳米孔的凝胶中有一个更深的渗透深度.最近的研究表明,聚乙二醇修饰的棒状金纳米颗粒可以进入肿瘤内部,球状和盘状的金纳米颗粒则只分布在肿瘤的表面(Black et al.2014).但是目前还不清楚在更为复杂的肿瘤间质中棒状纳米颗粒相比于球状纳米颗粒是否依然扩散得更快.Yu等(2016)发现,相比于球状颗粒,棒状纳米颗粒在黏蛋白网络结构中也具有更高的扩散速度和渗透深度.纳米颗粒的形状还会影响颗粒的内化效率;G ratton等(2008)发现,HeLa细胞对大长细比的棒状水凝胶颗粒内化效率更高;Chithrani等(2006)发现,大长细比的棒状金纳米颗粒内化效率要低于球形颗粒.细胞对不同形状的纳米颗粒内化效率不同可能和颗粒的表面曲率以及Zeta电位有关(Yang et al.2016).

此外,当肿瘤细胞在细胞外基质内迁移时,细胞与细胞外基质之间的黏附和解离作用还决定着细胞的迁移速度(DiMilla et al.1991).细胞与细胞外基质之间的黏附作用是通过黏着斑实现的.黏着斑是一种微米尺度的高分子复合体.它有两方面的作用,一方面,黏着斑可以把细胞固定在细胞外基质上,并把细胞外基质、黏附分子和细胞骨架连接起来;另一方面,黏着斑可以感受外界的力学刺激,并把信号传递到细胞内部 (Kumar&Weaver 2009).到目前为止,已有超过 100种黏着斑蛋白得到确定(Bershadsky et al.2006).它们各司其职,有的结合整合素(Schlaep fer et al.1994),有的连接细胞骨架蛋白(Rid ley&Hall 1992),有的结合细胞膜脂质分子(Sechi&Wehland 2000),有的协调其他黏着斑蛋白(Gilmore&Burridge 1996),参与信号传导(Schwartz et al.1995).在这些蛋白质中,黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)的作用至关重要(Tilghman&Parsons 2008).FAK是一种非受体酪氨酸激酶,在肿瘤细胞中过量表达,并处于激活状态(Gabarra-Niecko et al.2003,Parsons 2003,Schlaep fer et al.2004,Mitra et al.2005).FAK可以传递和感受力学信号.Mofrad等(2005)通过分子动力学模拟发现,对FAK的黏着斑靶标(FAT)结构域施加一个拉力,可影响它与黏着斑蛋白的亲和性.黏着斑在细胞迁移中起着重要作用(Rid ley et al.2003).Nagasaki等(2009)发现,快速移动的细胞,诸如盘基网柄菌(dictyostelium discoideum)和中性粒细胞(neutrophils),通常会有微小的黏着斑.而对于缓慢移动的细胞,例如成纤维细胞,其黏着斑则大得多.随后,Kim等(2013)的实验表明,细胞的迁移速度与黏着斑的平均大小密切相关.

DiMilla等(1991)建立了细胞迁移速度与黏附、解离作用以及细胞力学性质之间关系的一维数学模型.在该模型中,细胞的迁移被看成3个阶段的循环过程,如图9所示.第1个阶段,由于细胞的极化作用,细胞质和细胞膜会向细胞运动的方向流动,形成一个薄片,称为板状伪足(或片状伪足),同时板状伪足的受体会和细胞外基质上的配体结合,并且在第一阶段结束时受体/配体之间的相互作用达到平衡,整个过程所需要的时间为 t l.在第 2个阶段,细胞骨架的收缩作用会拉拽细胞的两端向中间靠拢(Trinkaus,1984),由于细胞骨架与黏附分子相连,细胞骨架的收缩还会导致细胞两端黏附键的解离,此外细胞两端的黏附分子的数量不同,这就导致前后两端不对称,细胞会对基底产生一个净牵引力,细胞的质心会沿着与这个牵引力相反的方向运动,这个牵引力取决于黏附分子的数目和强度以及细胞和细胞外基质的刚度和黏性,这个阶段所需要的时间为t c.在第3个阶段,细胞骨架松弛,不再拉拽黏附分子,此时细胞两端的黏附受体可以和基底上的黏附配体自由结合,第3个阶段持续的时间为t r.整个周期所需要的时间为

 

对于黏附分子结合和解离的动力学,DiMilla等(1991)认为存在4种机制,如图10所示.在第1种机制中,根据Bell(1978)的模型,配体和受体之间只存在2种状态——结合和未结合,成键的数目随时间变化且取决于未结合的配体和受体结合率k f以及结合成键的配体和受体的解离率k ro

 

  

图9

 

细胞在细胞外基质上迁移过程示意图.(a)第1阶段,(b)第2阶段,(c)第3阶段

  

图10

 

细胞在细胞外基质上迁移时,配体和受体结合和解离示意图. (a)细胞分为腹背两侧,腹侧的受体可以与基底的配体成键或者解离;(b)配体均匀地分布在基底上;(c)未成键的受体可以在面内自由扩散,(d)未成键的受体也可以在腹背两侧之间扩散;(e)成键的受体相对于细胞会有一个向后运动的趋势;(f)细胞可以内吞未成键的受体;(g)细胞的前端还会长出新的受体,这两种机制可以造成细胞前后两端黏附键数目的不对称;(h)细胞前端的成键更加牢固(DiMilla et al.1991)

式中,n b代表配体和受体成键的数目,n s代表基底表面未成键的配体数目,n vr代表细胞腹侧未成键的受体的数目.

肿瘤中的应力主要由两部分组成,一部分是由于肿瘤与周围组织相互作用所产生;另一部分是在肿瘤生长过程中,由于肿瘤内部细胞与细胞之间以及细胞与基质之间的相互作用所产生(Stylianopoulos et al.2012,Lin et al.2017),如果将肿瘤从活体中切离出来并使其不受外载,这部分应力仍然存在,因此它被称为生长导致的残余应力(Skalak et al.1996).Stylianopoulos等(2013)的计算发现,残余应力占肿瘤中总应力的比例少于30%.这表明对于应力的产生,肿瘤与周围宿主组织的相互作用更为重要.

在第2种机制中,细胞表面未成键的受体可以发生扩散,因此细胞上侧和腹侧未

  

图11

 

黏弹性固体模型,细胞被分成6个部分,细胞的前后两端固定不动,由于细胞骨架的收缩作用,节点1～5会发生移动,惯性效应被忽略(DiMilla et al.1991)

成键的受体数目和应满足如下关系

 

式中D r是表面扩散系数.

在第3种机制中,由于细胞内吞的作用,一些未成键的受体会进入细胞内部,内吞率为k e,则由于内吞作用引起的未成键受体数目的变化可以表示为

 

在第4种机制中,细胞表面会新生出一些受体,而新生出受体主要分布在细胞向前延伸的一部分细胞膜上,这部分细胞膜占细胞总长的比例为λ.细胞膜的受体和基底的配体成键数目的变化取决于上述4种机制的共同作用.

在上述模型中,细胞被简化成为黏弹性固体,既可以体现细胞的流动性,也可以体现细胞的刚度(Dong et al.1988).细胞的流动性可以用线性的黏性阻尼器模拟,而细胞的刚度则可以用线弹性的弹簧代替.黏附键的刚度以及细胞伪足的刚度也可以用弹簧代替,细胞骨架的收缩作用则可以用收缩单元来模拟.整个细胞被划分为6个部分,每部分的长度相同,两端固定不动,如图11所示.忽略惯性效应,每个节点的平衡方程为

 

式中,c代表黏性阻尼的黏度,k代表细胞的刚度,k′代表伪足的刚度,k u和k l分别代表细胞后端和前端黏附键的刚度.细胞的速度表示为

 

DiMilla等(1991)的模型认为,细胞的迁移速度取决于细胞前后两端黏附作用的不对称性.Marks等(1991)的实验证实了这个理论.DiMilla等(1991)进一步解释了迁移速度与黏附强度、黏附分子数量以及细胞力学性质之间的关系,其结果表明黏附和解离作用以及细胞骨架在细胞迁移过程中起着重要作用.但是,他们的模型只考虑了细胞黏附在2D基底上的情况,并且忽略了垂直于迁移方向的力,因此该模型只能解释细胞沿直线的迁移.事实上,在复杂的3D环境中,细胞拥有更复杂的迁移方式,并且这些迁移方式受细胞与基底之间的黏附强度以及肌动球蛋白收缩性的调控(Petrie&Yamada 2016).目前已知的迁移方式有3D叶状伪足式迁移(3D lobopodialmigration)、3D层状伪足式迁移(3D lam ellipodialmigration)、不稳定鼓泡型阿米巴式迁移(unstable bleb amoeboid migration)、尖端驱动的入侵(spike-driven invasion)、稳定鼓泡型阿米巴式迁移(stable bleb amoeboid migration)、A 1型阿米巴式迁移(A 1 am oeboidmigration)、A2型阿米巴式迁移(A2 amoeboid migration)以及渗透压驱动的迁移(osmotic engine driven migration),如图 12所示.

Stroka等(2014)发现,除了整合素的黏附以及肌球蛋白主导的迁移外,在受限空间/管道中细胞迁移依赖于渗水效应,即水分子和各种离子由细胞前端进入细胞,从后端离开细胞,从而实现细胞整体向前运动的一种新的细胞运动方式,揭示了水分子和离子的跨膜输运对细胞迁移的重要作用.

7.4 间质液的流动

  

图12

 

细胞的主要迁移方式.(a)叶状伪足式迁移通过肌动球蛋白的收缩和整合素主导的黏附来推动细胞核的移动,从而实现细胞在交联基质中运动;(b)当细胞收缩性下降时,其会从叶状伪足式迁移转变为板状伪足式迁移,板状伪足式细胞可以在非交联的基质中运动.(c)圆形阿米巴式肿瘤细胞具很强的收缩能力,但是其与基底的黏附作用相比于成纤维细胞则很弱,因此其主要通过不稳定的小气泡和与基底的黏附作用在2D面上运动;(d)当乳腺肿瘤的黏附作用发生改变后,其会从叶状伪足式迁移转变为尖端驱动的入侵;(e)～(h)当细胞在2D基底上缺乏足够的黏附和机动能力时,其主要通过稳定的大气泡来推动自身前进,此时细胞施加在基底上的力很弱(Petrie&Yam ada 2016)

间质液的流动可能会引导肿瘤的转移,并形成转移瘤(Leunig et al.1992,Curtiet al.1993,Hofmann et al.2006,Chang et al.2008).Shields等(2007)发现,暴露在流动液体下的细胞群转移趋势更强.Polacheck等(2011)利用微流控系统研究了间质液的流动对细胞迁移的影响发现,细胞迁移的方向受液体流动强度和细胞密度的影响.一般情况下,细胞会沿着与液体流动相同的方向迁移.但对于某些特殊情况,细胞会沿着与流动相反的方向迁移,2个相互竞争的机制决定了细胞的迁移方向.第1种机制是自分泌的CCL21配体和CCR7受体结合激发的细胞迁移,称为自体趋化.间质液的流动可以使自分泌趋化因子产生一个跨细胞的趋化梯度,进而提供一个趋化信号,增强细胞的转移趋势,并使细胞沿某个特定方向迁移.Fleury等(2006)发现,在生理环境的流速下,CCL21在细胞下游的一侧浓度较高.因此自体趋化作用会诱导肿瘤细胞沿着间质液流动的方向迁移.第2种机制是整合素主导的机制.Polacheck等(2011)认为,间质液的流动会在细胞表面产生剪切力,从而引起整合素的拉伸,给肿瘤细胞提供一个向上游迁移的刺激.在间质液流动的影响下,这2种机制的竞争决定了肿瘤细胞的转移方向.

肿瘤的间质中填充着胶原纤维、蛋白聚糖、葡糖氨基聚糖等固体成分.这些固体成分形成致密、曲折的网络,使得肿瘤间质的几何结构异常复杂.如何建立准确的几何模型以预测间质液的流动,依然是一个难题.Chary和Jain(1989)发现,间质液流动的速度在 0.2～0.8µm/s之间,其雷诺数很低,流体的惯性力可以忽略.因此可以近似用渗流力学的方法研究肿瘤中间质液体的流动,其流速可以用Darcy方程表示为

 

或用Brinkman方程表示为

 

其中,K是间质的渗透系数,P i代表间质液压,µ代表间质液的黏性.Brinkman方程可以看成是在Darcy方程基础上考虑液体黏性得到的.渗透系数和间质液压都会影响肿瘤间质液的流动,进而影响肿瘤的转移.

渗透系数表示流体通过间质的难易程度,渗透系数越大,液体越容易通过间质,间质液体的流动也就越强.对于肿瘤间质这种富含纤维的介质,渗透系数取决于纤维的体积分数,表面电荷以及组织结构.已有很多数学模型用于预测含纤维介质的渗透系数.这些模型大多数只考虑了二维低雷诺数流动平行或垂直地穿过周期性分布的纤维阵列的情况(Jackson&James 1986),得到的渗透系数与纤维的体积分数有关(Ethier 1991).近年来,科学家们发展了用于计算三维纤维结构渗透系数的数学方法.这些方法不仅考虑了纤维的体积分数,也考虑了纤维的组织结构和表面电荷(Mattern et al.2008,Stylianopoulos et al.2008).但是在肿瘤间质中,由于纤维分布的不均匀性以及纤维的取向、大小和表面电荷的不同,渗透系数很难用这些模型中的理想结构来计算.因此常常用基于实验的经验公式来计算肿瘤间质的渗透系数(Levick 1987,Jain 1987a).这些经验公式认为渗透系数是胶原纤维、蛋白聚糖和糖胺聚糖含量的函数.

间质液压梯度是间质液流动的主要驱动力.Young等(1950)第一次测量了兔子肿瘤的间质液压,发现其高于正常组织.进一步的研究表明,肿瘤内血管和淋巴管的异常结构和功能导致了间质液压的升高.肿瘤血管与正常的血管相比具有更强的通透性,导致液体可以从血管漏出进入肿瘤间质.而肿瘤中的淋巴管无法输运多余的液体,液体只能流向肿瘤边缘或肿瘤内部.流向内部的液体会使间质液压不断升高(Jain&Baxter 1988).从血管流入间质的液体流量J v(m L/s)可以用Starling定律来表示(Jain 1987b)

 

式中,L p是血管壁的渗透系数,S是血管的表面积,P v是血管的血液压强,P i是间质液压强,πv和πi分别是血液和间质液的渗透压,σT是血浆蛋白的渗透反射系数.通过上式可以看出,当间质液压上升到一个临界值时,J v=0,此时间质液压不再升高,间质液停止流动.这个临界的间质液压可以表示为

 

由此可知,间质液压取决于血管压强以及血液与间质液的渗透压差.Jain等建立了数学模型来计算肿瘤中的间质液压(Jain&Baxter 1988,Baxter&Jain 1990).他们发现,间质液压在肿瘤内部呈现均匀分布,但在边缘会迅速降至正常组织水平,在肿瘤边缘处产生很大的压强梯度.这可能是肿瘤转移在肿瘤边缘比较活跃的原因.

7.5 肿瘤细胞与血液和血管的相互作用

肿瘤细胞进入血管后,会随着血液循环转移至全身各处.这时,血液的流动、流动施加在肿瘤细胞表面的剪切力、血管的结构、肿瘤细胞与血液中的各种成分之间的相互作用对肿瘤细胞的转移效率有着显著影响(Weiss et al.1989,Orr et al.1991,Koumoutsakos et al.2013).有文献指出,进入循环系统的肿瘤细胞只有0.01%能存活下来形成转移瘤(Chambers et al.2002,Joyce&Pollard 2009).

Young等(1950)发现,血管外压强或组织压强的升高是肿瘤细胞进入血管的基本条件.另一方面,血管的压强会阻碍肿瘤细胞进入血管 (Hori et al.1983).Hori等(1983)发现,在皮下的AH109A Yoshida肝细胞瘤中,微血管压强下降至5～10 cm水柱,而正常皮下组织10～50µm血管的平均压强为(12.0±0.5)cm水柱.一个较低的血管压强可能更利于肿瘤转移.当进入血管后,循环肿瘤细胞会受到来自血流的剪切力,剪切力的大小通常在0.01～4Pa(Resnick et al.2003),这可能会对肿瘤细胞造成伤害.此外,剪应力还可能增大细胞表面配体和受体的数目(Struckhoffet al.2010).但有文献指出,循环肿瘤细胞可以和血小板发生相互作用,使血小板凝聚在其表面(Joyce&Pollard 2009).而聚集在表面的血小板可以使肿瘤细胞免遭流体剪切力的影响,并且还可以帮助肿瘤细胞躲避免疫细胞的攻击(Gupta&Massague 2006).循环肿瘤细胞的尺寸(20µm左右)通常要大于红细胞和白细胞,这导致其很容易被器官中的微血管捕获(Weiss 1992,Chambers et al.2002,Wirtz et al.2011,Koumoutsakos et al.2013,Massague&Obenauf 2016).尤其是对于肝和肺,它们的微血管直径往往很小(3～8µm),通常情况下只允许一个红细胞通过(Chambers et al.2002).也有人指出,循环肿瘤细胞除了被动的被微血管捕获外,其还会主动选择力学性能(刚度)适宜的组织作为目的地,但是这种说法尚未被实验证实(Mierke 2014).Zeidm an和Buss(1952)发现,直径越大的肿瘤细胞或细胞团越难从粗的血管进入细的血管,也就是说其越不容易被器官的微血管捕获.Prinzm etal等(1947)用几百微米的玻璃球做肝、脾和肺的动静脉分流实验也得到了同样的现象.但是对于肿瘤细胞,这种分流并不常见(Bross et al.1975,Weiss et al.1986,Weiss 1989).当肿瘤细胞被器官中的微血管捕获时,由于细胞的直径大于微血管,细胞会由球形变成圆柱形,这会给肿瘤细胞造成致命的伤害,使其无法分裂成新的肿瘤细胞,称之为转移失效(metastatic ineffciency)(Weiss 1990).但是,是否所有被微血管捕获的肿瘤细胞都无法成长为转移瘤,抑或那些未被微血管捕获的肿瘤细胞或细胞团簇更有可能成长为转移瘤仍然需要更多的研究.Secomb等(2007)用有限元的方法模拟了二维情况下红细胞在微血管中的运动和变形发现,红细胞会由最初的圆形变为前凸后凹的形状,这与实验观察相一致.他们还发现红细胞的变形与其相对血管壁的位置有关.但是,目前还未见用模拟的方法研究肿瘤细胞在血管中的运动和变形的相关文献.Randles等(2015)借助3D复现技术扫描了人体所有大于1mm的动脉,并建立了人体血流的三维计算流体力学模型,用于模拟人体的血液循环.Rand les的模型有助于模拟肿瘤细胞在人体血管中的运动,从而更好地理解肿瘤转移.

8 总结及展望

在过去的研究中,人们常常用生物学、化学的方法研究肿瘤的生长、发展和转移,并得到了大量的实验结论,但是完善而定量的数学模型依然缺乏.以往研究关注的重点是生物和化学因素,而对力学因素在肿瘤生长和发展中的重要性认识不足.实际上,肿瘤的生长和发展一直处在复杂的力学环境中,细胞之间、细胞与细胞外基质之间都存在复杂的相互作用,这些相互作用力也影响着细胞的行为(吕东媛等2017).此外,新陈代谢与药物输运都受血液流动的影响,而血液流动与肿瘤中的应力直接相关.因此,在肿瘤微环境中不仅有生物和化学问题,也存在诸多复杂的力学问题,力学、生物和化学因素之间相互耦合、相互影响,共同决定着肿瘤的生长和发展.

近几十年来,人们越来越深刻地认识到力学在肿瘤研究中的重要作用,并着手进行深入的定量化研究,建立相应的生物力学模型.这些研究从不同层面、不同尺度上关注应力的产生及其对肿瘤微环境的影响、间质液体流动、药物输运、肿瘤细胞的转移等,以期对肿瘤的诊断和治疗起到指导作用.例如,Helm linger等(1997b)发现,肿瘤生长所产生的压应力会引起血管和淋巴管的塌缩,而血管横截面积的减小会影响到药物在肿瘤中的输运,因此通过降低肿瘤内应力的方法有可能提高药物输运的效率.此外,纳米药物的形状、尺寸和表面性质对纳米药物在肿瘤微环境中的输运有着不同程度的影响,对这些因素的研究有助于设计输运效率更高的药物.

到目前为止,对肿瘤微环境中力学问题的研究仍然存在很多难题.首先,如何在体外还原真实的肿瘤微环境,是备受关注的一个问题.由于肿瘤微环境以及生物体的复杂性,尚难以在体内开展定量化的实验去研究单一力学因素对肿瘤的影响,因而大多开展体外实验.体外实验易于实验变量的控制,但很难全面再现真实的肿瘤微环境,所得到的实验结论也未必适用于体内肿瘤.例如,真实的细胞都生活在三维环境中(Shan et al.2014),而体外实验常常将细胞培养在二维基底上(Asghar et al.2015).Schwartz和Chen(2013)发现,在三维环境和二维环境下生长的细胞,在细胞形态、增殖、基因和蛋白质表达等方面存在差异.因此,在体外还原真实的肿瘤微环境就显得十分必要.随着3D打印技术(Mironov et al.2003)以及微流控技术(Fan et al.2016)的发展,这个问题逐渐得到解决.Zhao等(2014)借助3D打印技术,利用Hela细胞制造了一个体外的宫颈肿瘤模型.其模型相比于培养在二维基底上的Hela细胞具有更高的MMP表达以及更强的抗药性,更接近于真实肿瘤.Polacheck等(2011)利用微流控技术模拟了生理条件下的流动对肿瘤细胞在二维基底上迁移的影响.Lee等(2008)通过3D打印制造了一个生物活性水凝胶的三维基底,并进行了细胞的迁移实验.此外,借助3D打印技术,还可以制造出肿瘤中复杂血管网络的三维模型,有助于研究肿瘤微环境的血液流动和药物输运.此外,从分子层面理解力学因素的作用也是一个难题.研究人员借助分子动力学模拟等方法以及原子力显微镜等实验手段发现,外界力学刺激会影响某些蛋白质分子(如整合素、三磷酸酶(rho GTPase)、黏着斑激酶)之间的相互作用(Evans&Ritchie 1997,Evans&Ludw ig 2000,Marshall et al.2003,Ji&Bao 2011,Li&Ji2014,Chen et al.2015,Liet al.2015).而这些分子之间的相互作用影响着细胞的牵引力、细胞黏着斑的强度和寿命、细胞的迁移和侵袭表型等行为.例如,整合素在拉力的影响下,可能促使细胞朝着与拉力相反的方向迁移(Polacheck et al.2011),三磷酸酶可以促使细胞进行阿米巴式迁移(Fried l&Wolf 2003).因此,从分子层面上理解力学因素的作用十分必要,这需要借助于细胞生物学、分子生物学、材料科学、力学以及先进成像手段,这方面的研究无疑会大大深化对肿瘤发展过程的理解,也对癌症的诊疗有指导价值.

致 谢 国家自然科学基金项目资助 (11422215,11272327,11672079,11432008,11620101001).

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