我国学者和海外合作者在肿瘤转移的物理约束机制研究中取得进展
日期 2021-05-10  来源:数理科学部  作者:姜向伟 张诗按 齐静波 倪培根

           在国家自然科学基金项目(批准号:11874415、12074043)等资助下,北京师范大学李辉教授与美国麻省理工学院的郭明教授和加州大学圣地亚哥分校蔡盛强教授研究团队合作,首次揭示了基底膜的非线性硬化效应及其对肿瘤侵袭的物理约束作用。该工作以“快速‘膨胀-收缩’揭示生物基底膜的非线性弹性(Nonlinear elasticity of biological basement membrane revealed by rapid inflation and deflation)”为题,于2021年3月16日发表在《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America)上,论文链接:https://www.pnas.org/content/118/11/e2022422118。

      基底膜是一层由蛋白和多糖构成的纤维状细胞外基质,广泛存在于组织和器官的外侧。肿瘤外侧也有这样一层保护性屏障,肿瘤细胞必须首先突破基底膜才能发生转移扩散。然而,由于基底膜厚度不足1微米且与肿瘤细胞紧密连接,借助传统物理测量手段难以在原位表征肿瘤外侧基底膜的特性,长期以来无法了解其约束肿瘤侵袭扩散的物理机制。

      研究团队提出一种原位测量基底膜物理特性的新型便捷方法。通过显微注射装置将玻璃微针插入肿瘤细胞球,在受控压力下向肿瘤注入PBS缓冲液,使基底膜从肿瘤细胞上脱离并像气球一样膨胀,关闭压力后,基底膜逐渐收缩恢复至初始状态,然后由上述基底膜的应力应变动态过程可直接确定它的弹性和渗透性。研究发现,基底膜尽管表现出类似气球的弹性行为,其物理特性却截然不同。对于橡胶等材料制作的气球,其固有的弹性模量不会随着形变而快速变化,但是球壁却会随着膨胀逐渐变薄,发生软化。特别是当气球膨胀超38%后,只需保持压力,气球便迅速膨胀直至破裂,该现象称之为snap-through instability。与此不同的是,基底膜随着膨胀不会变软,反而产生了显著的非线性硬化效应。基底膜的弹性模量随着应变快速增加,所需的膨胀压力也随之明显增大,这种显著的应变硬化特性可以在物理上约束肿瘤的增殖和侵袭行为。

      该研究揭示的肿瘤外侧基底膜的非线性硬化特性,有助于理解体内肿瘤生长和侵袭的物理环境约束机制,为发展抑制和治疗癌症的新技术提供了基础支撑。

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      图1 基于快速“膨胀-收缩”原位测量基底膜物理特性