《BioChip Journal》：Matrix–Matrix Interfaces Orchestrate Early Mechanosensitive Transition from Attractor To Track
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为阐明三维细胞外基质（ECM）中的离散力学边界——矩阵-矩阵界面（MMI）如何影响肿瘤细胞迁移，本研究开发了一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控平台，可生成受控的软-硬胶原界面。研究发现，侵袭性乳腺癌细胞球体在MMI处表现出向界面趋近并沿界面平行迁移的“吸引-轨道”行为，其早期脱离受顶层刚度调控，而后期扩展则与界面刚度相关。该研究揭示了除整体刚度外，界面结构在塑造癌症侵袭中的关键作用，为在复杂ECM环境中剖析三维细胞迁移机制提供了可调且生理相关的模型。
论文解读
在癌症的致命征程中，转移是主要推手，而肿瘤细胞的定向迁移是驱动局部侵袭和后续扩散的关键步骤。这一过程并非肿瘤细胞自导自演的独角戏，肿瘤微环境（Tumor Microenvironment， TME）中的细胞外基质（Extracellular Matrix， ECM）充当着重要的“舞台布景”和“路线规划师”。以往的研究已经充分认识到ECM的整体力学特性（如刚度）和结构（如架构、孔径）对肿瘤细胞行为的深刻影响。然而，在真实的生物体内，肿瘤细胞在扩散过程中会反复遭遇组织或基质边界——这些不同组分、结构或力学性质发生急剧变化的“界面”（interface）。例如，实体瘤中上皮-基质交界处、脂肪组织内富含脂质区域与周围纤维化ECM的过渡带，都可能形成力学异质性的边界。这些离散的“界面”是否以及如何作为特定的物理线索，引导和促进肿瘤细胞的侵袭？它们在癌症转移级联反应中扮演“吸引子”和“轨道”的双重角色吗？这些问题尚未得到充分解析。
为此，研究人员在《BioChip Journal》上发表了一项研究，他们设计了一种创新的微流控平台，旨在精确模拟并解析这种界面效应。研究开发了一个三层通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片，通过顺序凝胶化技术，在其中央凝胶通道内构建了受控的矩阵-矩阵界面（Matrix-Matrix Interfaces， MMI）。这个平台能够生成不同刚度组合（软-软、软-硬、硬-软、硬-硬）的平面或弯曲胶原界面，并允许从界面上方或下方嵌入细胞球体，从而在生理相关且光学通透的三维环境中，系统探究界面结构对肿瘤细胞迁移的调控作用。
研究主要采用了以下几项关键技术方法： 1) 微流控芯片工程：设计并制造具有中央凝胶通道和两侧培养基通道的双层PDMS装置，用于生成精确的MMI。2) 三维肿瘤球体模型：使用人乳腺癌细胞系MDA-MB-231（侵袭性）和MCF-7（非侵袭性）制备标准化的多细胞球体，以模拟实体瘤的三维结构和细胞间相互作用。3) 多模态成像与分析：结合共聚焦显微镜（用于三维重建和细胞骨架染色）、原子力显微镜（AFM，用于界面刚度定量测量）和扫描电子显微镜（SEM，用于基质微观结构表征）进行研究。4) 荧光梯度验证：利用异硫氰酸荧光素-葡聚糖（FITC-dextran）扩散实验验证芯片内稳定浓度梯度的形成。
研究结果
2.1 在三通道PDMS装置中生成并验证中央通道MMIs
成功构建了包含中央凝胶通道和两侧培养基通道的微流控平台（图1A），并通过顺序凝胶化在中央通道内建立了尖锐的垂直MMI（图1B）。定义了四种底部-顶部刚度配对条件（o-o， o-t， t-o， t-t；o=软， t=硬），并验证了装置的通透性和梯度形成能力（图1C）。
2.2 均质ECM基线：刚度与孔隙度调控肿瘤球体出芽生长
在均质的三维胶原基质中，侵袭性MDA-MB-231球体在软基质中表现出比在硬基质中显著更广泛的径向突起和细胞脱离（图2A， C， D）。相反，非侵袭性MCF-7球体在所有条件下迁移均不显著。扫描电镜（SEM）显示，软基质具有更低的弹性模量和更高的表观孔隙度（图2E-G）。
2.3 界面刚度不对称性控制早期播散动力学
当MDA-MB-231球体被置于四种不同的MMI配置中时，共聚焦成像显示，在早期（6小时），具有软顶层（o-o， t-o）的条件比具有硬顶层（o-t， t-t）的条件表现出更明显的向外播散（图3A）。三维重建进一步揭示，迁移从球体与界面接触的基极开始，随后在界面平面内扇形展开，呈现早期界面流出和随后平面扩展的模式（图3B）。
2.4 软顶层门控早期脱离；后期结果趋于一致
对从球体核心脱离的细胞数量进行定量分析发现，在6小时，软顶层配对（o-o， t-o）产生的脱离细胞数量显著多于硬顶层配对（o-t， t-t），表明顶层刚度主导了初始流出（图5A）。到24小时，不同配对条件下的细胞数量趋于一致（图5C）。以球体半径变化作为整体出芽生长的补充指标，也得出了相似的规律：早期（0-6小时）软顶层条件扩张更显著，而到后期（24小时），不同刚度配对间的差异缩小（图5D-F）。
2.5 MMIs引导界面平行迁移，并表现出潜在的吸引子偏向
原子力显微镜（AFM）测量显示，界面刚度反映了相邻两层凝胶的共同贡献，其模量等级为 t-t > t-o ≈ o-t > o-o（图6A， B）。当将MDA-MB-231球体放置在平面或弯曲MMI的上方或下方时，三维重构均显示细胞定向趋近界面，随后其运动轨迹在界面平面内对齐，表现出“趋近-追踪”行为（图6C， D）。这表明MMI作为物理线索，能够引导细胞迁移，且这种行为不依赖于重力方向。
研究结论与讨论
本研究开发了一种PDMS微流控平台，成功构建了可调的MMI，用以研究乳腺癌球体在生理相关条件下的迁移行为。研究得出的核心结论支持一个两阶段模型：在早期，局部整体ECM的力学特性（尤其是顶层刚度）为初始播散提供了“许可”；而在后期，界面本身的力学和结构特性（界面刚度）则对持续的扩展起到了越来越重要的支撑和放大作用。 具体而言，离散的MMI发挥着“吸引子-轨道”物理线索的功能：它们首先作为吸引子，引导细胞从界面上方或下方定向趋近；一旦细胞与界面接触，界面便成为轨道，引导细胞沿界面平面平行迁移。这种引导作用在平面和弯曲界面中均存在，且与重力无关。相比之下，非侵袭性的MCF-7球体在所有条件下均表现出极小的迁移性，强调了细胞表型对ECM和界面线索响应的依赖性。
这项研究的意义在于，它首次在凝胶-凝胶系统中直接量化并证明了时间依赖性的、从ECM主导到界面驱动的侵袭转变。该平台不仅将体内观察到的界面引导逻辑（如肿瘤-基质边界处胶原排列引导侵袭）转化为可控的体外实验模型，还通过AFM直接测量了界面刚度，并通过上下对称的细胞放置排除了沉降等简单机制。研究结果强调了在理解癌症侵袭时，除了考虑ECM的整体刚度和结构外，界面结构同样是一个不可忽视的关键物理决定因素。这一“吸引子-轨道”框架为未来更深入地剖析界面处的分子机制（如表皮生长因子受体（EGFR）-Mena信号轴、膜型基质金属蛋白酶（MT1-MMP）活性等）、测试抗侵袭药物、以及结合间质流等其他微环境线索进行研究，提供了一个高度可调、生理相关且功能强大的实验工具。
