Sci Rep：揭示癌细胞改变其形状并入侵到机体不同类型组织中的分子机理

细胞形状与细胞功能有关，然而目前研究人员却并不清楚细胞形态动力学（morphodynamics）的意义，即细胞形状的时间波动性。近日，一篇发表在国际杂志Scientific Reports上题为“Morphodynamics facilitate cancer cells to navigate 3D extracellular matrix”的研究报告中，来自俄勒冈州立大学等机构的科学家们通过研究揭示了恶性细胞改变其形状的机制，以及其如何通过迁移技术入侵到机体的不同类型组织中；相关研究结果或有望帮助研究人员深入理解癌症转移的机制并开发有效预防癌症转移的新型策略。

MDA-MB-231细胞的三维迁移显示出了明显的细胞形状波动特性。

图片来源：Eddy, C.Z., et al.  Sci Rep 11, 20434 (2021). doi：10.1038/s41598-021-99902-9

研究者Bo Sun说道，通过数十亿年的进化，细胞学会了多种方式来进行迁移，在正常发育和维持健康的生理学过程中（比如伤口愈合过程），特定的迁移程序往往会在需要时执行；而在肿瘤发生时，这些迁移程序就会被癌细胞用来维持其对机体组织的入侵。一个癌细胞能在多大程度上改变形状并转变迁移模式或许在癌症患者的预后中发挥着巨大的作用。很多靶向作用细胞迁移特定方式的癌症疗法往往无法阻断肿瘤的迁移，这在很大程度上是因为细胞转向了另外一种可用的迁移程序。

为此，研究人员利用一种名为计算机视觉（computer vision）的人工智能技术根据细胞的形状追踪了细胞的迁移程序；计算机视觉能通过数字照片、视频和其它视觉输入获得信息。这项研究中，研究人员分析了来自MDA-MB-23的细胞，MDA-MB-23是一种常用于医学研究的高度侵袭性乳腺癌细胞，研究者将细胞形状分析比喻为根据根据游泳者的身体姿势和动作来判断游泳者采用的是仰泳、蛙泳还是蝶泳的游泳方式。

研究者Sun说道，细胞形状是由细胞功能所决定的，特征形状的缺失往往与功能异常相关，这就是为何形状特征能成为一种重要的工具来帮助诊断癌症和其它多种疾病（包括红细胞疾病或神经系统疾病等）的原因了。本文研究结果表明，癌细胞改变其迁移模式的频率或许远远超过此前研究人员的认知。尽管研究人员所观察到的乳腺癌细胞表现出的不断切换并不一定能最大限度地增加其在特定类型组织中的迁移速度，但却能促进细胞入侵到异质的组织环境中去。

在癌症转移过程中，迁移的癌细胞必须穿过细胞外基质，而细胞外基质（ECM）具有独特且不同的机械性能，细胞外基质是组织和器官的一种非细胞部分，其作为一种支架，由于多种生物活性分子，就能执行多种重要的生化和生物力学任务。研究人员采用机器学习和可视化技术进行研究后表明，细胞形状的改变受到了分子控制枢纽Rho/ROCK信号的调控，Rho/ROCK信号是细胞用来感知物理环境并产生运动所需驱动力的特殊信号通路。

图片来源：https://www.nature.com/articles/s41598-021-99902-9

利用一种能代表两个在机械特性上不同的细胞外基质层作为模型进行研究，研究者发现，细胞在接近和穿过这两层界面时会逐渐改变其形状和运动程序，这就表明，这些转变对于癌细胞的转移非常必要，其需要在非均一性的细胞外基质中进行巡航。研究者Sun指出，细胞的形态变化（其形态动力学）对于确定其侵袭潜力至关重要，而这一点在很大程度上并未被研究人员深入研究过；迁移的癌细胞的形态动力学正在逐渐成为一种检查细胞内部状态和环境的强大工具，后期研究人员还需要进行更为深入的研究来将这种形态动力学解析为丰富且能被理解的细胞身体语言，并会影响形态动力学作为控制细胞作用的一种手段或方式。

综上，本文研究结果或未科学家们理解细胞形态动力学并对其进行机械变成铺平了道路，同时其还能作为一种方法来帮助预测并控制3D细胞运动特性。

原始出处：

Eddy, C.Z., Raposo, H., Manchanda, A. et al. Morphodynamics facilitate cancer cells to navigate 3D extracellular matrix. Sci Rep 11, 20434 (2021). doi：10.1038/s41598-021-99902-9