前言

癌症转移导致大多数与癌症相关的死亡，而抑制转移是一个长期且重要的临床目标。然而，专门针对转移过程的治疗仍未能提高患者的生存率，因为原发肿瘤细胞诱导转移性疾病的机制仍然难以捉摸。仅仅关注癌症基因特征则忽略了一个事实，即转移从根本上是一个机械过程，需要特定的细胞生物物理特性。

基于此，人们提出了一种新的机制，即“细胞机械记忆”。实体瘤的发展通常与异常的细胞外基质（ECM）沉积和原发性肿瘤微环境（TME）的重塑有关，这增加了肿瘤细胞感知的机械应力。肿瘤细胞在转移过程中存活的能力通过原发肿瘤微环境中的机械应力来增强，这些微环境选择了适应良好的细胞。因此，有利于转移的生物物理适应是通过机械记忆保留的，记忆的程度受到机械应力的大小和持续时间的影响。破译肿瘤细胞机械记忆机制将是发现新的抗转移药物的关键。

原发性肿瘤的机械应力

细胞机械记忆的概念假设细胞响应于特定的物理微环境而改变其表型，并且即使在撤回原始物理刺激并暴露于新的微环境后，这种表型也会保持。原发性肿瘤细胞由基质硬化引发，并通过增强增殖、耐药性、因子的分泌、力的产生、机械性能的变化和迁移来适应，这些生物物理适应使肿瘤细胞能够克服环境障碍并在转移过程中存活下来。

基质刚性

与健康组织甚至良性肿瘤相比，实体恶性肿瘤表现出更高的硬度，如乳腺癌、胰腺癌、肝癌和前列腺癌，这一特征可作为诊断标志以及癌症风险，生存率和复发的预测指标。TME与其他组织一样，表现出复杂的机械行为，如粘弹性（随时间的负载松弛）和机械塑性（由于负载而产生的不可逆变形），这已被证明分别影响肿瘤细胞的扩散和迁移。

TME机械性能的变化是由肿瘤细胞或活化的基质细胞重塑ECM引起的。这些基质细胞通常分泌TGF-β，导致ECM成分如胶原蛋白、纤连蛋白和透明质酸的过度沉积和交联。ECM沉积和交联的增加共同导致ECM硬度升高，从而影响肿瘤细胞表型。硬度增加也会激活成纤维细胞并促进α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）阳性肌成纤维细胞表型。这产生了一个正反馈回路，通过该回路增加的肌成纤维细胞激活刺激ECM的产生、ECM交联和肌成纤维体收缩性，从而促进进一步硬化。

ECM的组成和硬度会影响免疫细胞，富含胶原蛋白的坚硬ECM会损害T细胞的浸润并降低其细胞毒性。此外，基质硬化降低了血管生长和完整性，并且通过Rho途径的内皮细胞机械感知的改变，导致TME中功能失调的血管系统。

固体和流体应力

ECM成分和硬度的变化，以及肿瘤生长，通过细胞-细胞和细胞-基质相互作用，导致物理力或压力施加在肿瘤细胞上，这些由非流体肿瘤成分施加的力称为固体应力。快速的肿瘤细胞增殖使TME紧张，而膨胀的更硬的肿瘤推动和移位周围的正常组织，这反过来又限制了肿瘤的扩张。结果，肿瘤核心中的肿瘤细胞在所有方向上经历压缩应力，而肿瘤外围的肿瘤细胞同时经历向外和向内的拉伸和压缩应力。

流体应力，或由流体肿瘤成分施加的物理力，源于生长诱导的和周围组织诱导的固体应力，其导致肿瘤内和周围的血液和淋巴管的塌陷或损伤，这会在肿瘤内产生升高的间质液压（IFP）。IFP在肿瘤核心是均匀的，在2 毫米汞柱（0.3 kPa）和29 毫米汞柱（3.9 kPa）之间，在外周组织降至约0毫米汞柱。这种IFP梯度导致离开肿瘤的间质液流增加，这在肿瘤周围的肿瘤细胞上施加流体剪切应力和压力梯度，从而维持肿瘤细胞增殖并促进迁移和侵袭。

细胞的生物物理适应

固体和液体应力可以将机械记忆施加在肿瘤细胞上，肿瘤细胞在原发性TME中对高基质硬度的反应中经历生物物理适应，并且可能通过机械记忆来保留以促进转移。

增殖

与软基质相比，在较硬的2D基质上肿瘤细胞增殖增强。胶质瘤细胞系在坚硬的2D基质上分裂更快，扩散更多，这种作用受到整合素β1和粘着斑激酶（FAK）的调节。在乳腺脂肪垫纤维化的小鼠模型中，与对照组相比，原位注射的乳腺肿瘤细胞有更快的增殖，产生更大的肿瘤。

存活率和耐药性

除了增强细胞周期程序和增殖外，高基质硬度还促进抗凋亡能力，有助于增加肿瘤细胞存活率和耐药性。肝细胞癌细胞系（Huh7和HepG2）不仅在坚硬的2D合成凝胶上表现出增强的增殖，还减少了对顺铂治疗的细胞凋亡。

细胞因子的分泌

为了进一步促进更有利于肿瘤生长和逃避治疗的微环境，肿瘤细胞可以适应性地分泌各种因子来改变基质、内皮和免疫细胞表型。基质金属蛋白酶（MMPs）降解ECM蛋白，促进肿瘤生长和侵袭，就是一个关键的例子。暴露于较硬的2D胶原基质在胰腺癌细胞系Panc-1中增加了MMP活性。在2D聚丙烯酰胺凝胶上，人类结直肠癌细胞（T84细胞系）增加了MMP7的表达，以响应更高的基质硬度。

基质硬度的增加还通过涉及内皮细胞MMP活性的机械敏感性途径直接进一步促进血管生成。此外，高基质硬度可以通过肿瘤细胞分泌血管内皮生长因子（VEGF）等促血管生成因子间接调节血管生成，从而影响内皮细胞的行为。

肿瘤细胞还可以分泌细胞因子，募集免疫细胞以应对高基质硬度。在人类乳腺肿瘤中，侵袭前沿巨噬细胞数量最多，那里的基质最硬，TGF-β信号传导最高。类似地，小鼠乳腺肿瘤中的高胶原密度诱导高环氧合酶-2（COX2）表达和高水平分泌的细胞因子，从而增加巨噬细胞和中性粒细胞的募集。

力的产生

为了补充其改变的生长和分子因子分泌，肿瘤细胞相对于正常细胞进一步表现出不规则的牵引力。从机制上讲，肿瘤细胞对高ECM硬度的反应产生的力是由整合素聚集和通过EGFR的信号传导驱动的，EGFR激活细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）并增加RHO–RHO相关激酶（ROCK）介导的肌动球蛋白收缩性。通过机械记忆维持增强的力的产生和相关途径的激活，它们可能有助于转移，尤其是在远处肿瘤细胞外渗期间。

可变形性

收缩力的改变进一步伴随着细胞变形能力的变化。一些对乳腺、卵巢、前列腺和膀胱癌症细胞系的研究表明，肿瘤细胞柔软度随着转移潜力的增加而增加。但其他研究也发现，在前列腺、皮肤和肾脏癌症细胞系中，情况并非如此。事实上，肿瘤细胞的柔软度或硬度对每个肿瘤来说都是独特的，并且可能取决于许多因素，如起源组织、空间定位、致癌驱动因素或转移部位。细胞在受限空间中迁移时是否软化可能取决于细胞极性和迁移轨道的几何形状。

此外，转移潜能和肿瘤细胞变形能力之间的关系取决于基质硬度。几项研究表明，与非侵袭性肿瘤细胞或正常细胞相比，侵袭性肿瘤细胞可以调节其机械特性以响应ECM硬度。值得注意的是，一些侵袭性肿瘤细胞因ECM硬度升高而变得更硬，如MDA-MB-231、KPR172HC和PC3细胞系；而另一些则变得更软，如ACHN、4T1和SW620细胞系。通过机械记忆在原代TME中获得的强细胞机械特性的保留可以帮助肿瘤细胞抵抗转移过程中遇到的各种机械应力。

迁移

基质硬度和肿瘤细胞迁移之间的关系与肿瘤细胞的转移潜力有关。高度侵袭性口腔鳞状细胞癌细胞系（SCC25）在较硬的基质上集体和单独迁移更快，而侵袭性较小的细胞系（Cal27）对底物硬度不敏感。事实上，基质硬度和由此产生的作用于细胞核的力促进了参与EMT过程的转录因子的易位，这些转录因子在肿瘤细胞传播中起着关键作用。

机械记忆与表观遗传学

细胞机械记忆和持续的表观遗传学修饰，它们是使肿瘤细胞即使在扩散后也能保留原发肿瘤中获得的生物物理适应的分子机制。

肿瘤细胞通过整合素的激活感受到高基质硬度，整合素促进细胞骨架重排，进而促进机械转导转录因子、runt相关转录因子2（RUNX2）和yes相关蛋白（YAP）的核转位。这些机械感应和机械转导机制在暴露于坚硬基质的几分钟到几小时内发生。

在较长的时间尺度上，机械转导可导致表观遗传学变化，包括通过组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白脱乙酰酶（HDACs）进行的组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA。如果机械应力的大小和启动时间足够（几天到几周），表型适应将通过持续表观遗传变化编码的肿瘤细胞机械记忆来维持。机械记忆机制通过将原发肿瘤中获得的肿瘤细胞生物物理适应与驱动继发部位疾病进展的适应直接联系起来，在转移过程中发挥着基本作用。

目前的研究主要集中于非癌细胞中的持续表观遗传变化，尚不清楚原发性TME中存在的机械信号是否通过持续表观遗传学变化和染色质重塑调节癌细胞的转移潜能。然而，这一假设非常合理，因为TME中的机械应力被证明可以通过组蛋白修饰诱导非恶性细胞的致瘤性，并且导致肿瘤发生的分子途径也可以赋予肿瘤细胞转移特性。此外，与成纤维细胞或MSCs类似，肿瘤细胞已显示出对高基质硬度的反应形成机械记忆。因此，它们很可能通过持续的表观遗传变化来保持长期的机械记忆。

转移的生物物理进化

遗传不稳定和不受调控的增殖导致异质性原发性肿瘤细胞群体。微环境障碍，如免疫监测、缺氧或机械应力，然后选择表现出特定特征的原发肿瘤细胞，使其能够克服这些障碍并发生转移过程。因此，肿瘤细胞的转移特征不仅可以由于遗传不稳定而随机发生，还可以通过获得持续的表观遗传变化而出现，从而引起细胞对机械应力的生物物理适应，称之为“生物物理进化”。

外渗

在原发性肿瘤中获得的生物物理适应中，有几种是通过肿瘤细胞的机械记忆保留的，并且可以增强循环肿瘤细胞在继发部位的外渗。肿瘤细胞通过后部皮层收缩产生增加的细胞内压力，以促进细胞核收缩通过如基质孔和内皮细胞之间的细胞间隙。在外渗时，还需要整合素β1的参与。此外，通过肿瘤细胞分泌血管生成因子和MMPs重塑血管系统，进一步促进外渗。

休眠

在原发肿瘤中获得并通过机械记忆保留的肿瘤细胞生物物理适应也可以调节继发部位的细胞休眠。到达远处器官的肿瘤细胞由于未能与整合素β1结合并激活FAK，以及次要部位的不利的生化和机械环境而处于休眠状态。通过机械记忆保留可能会阻止肿瘤细胞在到达转移部位时首先进入休眠状态。

定植

在原发TME中机械诱导并通过机械记忆保留的生物物理适应也会影响远处器官的定植。肿瘤细胞对原发性TME中基质硬度升高的反应增强了其存活率、干性和增殖。在转移后，增加的癌症干性可以赋予肿瘤细胞重新启动肿瘤生长的能力；此外，保留增强的生存表型可以帮助肿瘤细胞耐受次级器官的恶劣微环境；最后，机械诱导的各种可溶性因子的分泌可能促进转移定植。

小结

TME的特征包括各种苛刻的机械应力，包括增加的基质刚度以及固体和流体应力。针对这些机械应力获得的肿瘤细胞生物物理适应已在原发性肿瘤中得到广泛研究。适应原发性肿瘤中机械应力的肿瘤细胞可以增加它们的适应度；机械应力的大小和持续时间过机械记忆保留改变了所选细胞的表型；此外，生物物理适应在整个转移过程中保持不变，并影响肿瘤细胞外渗、休眠和在远处定植。因此，进一步深入了解机械记忆在转移中的作用将是设计新型抗转移药物和提高患者生存率的关键。

参考文献：

1.Linking cell mechanical memory and cancer metastasis. Nat Rev Cancer.2024 Jan 18.