机械指纹在乳腺癌研究中的应用：一种多模态实验方法

《Bioengineering & Translational Medicine》：Mechanical fingerprints in breast cancer research: A multimodal experimental approach

　　

乳腺癌仍然是全球女性癌症相关死亡的主要原因。肿瘤生物力学不仅仅是一种症状：它代表了一种在诊断、预后和耐药治疗中具有转化相关性的功能特征。尽管如此，很少有实验模型被设计用于系统地研究跨生物系统的这些物理特性。在此，本研究提出了一种多模态生物力学平台，结合工程化的3D乳腺癌球体和离体组织分析，以分析和比较健康与肿瘤环境的粘弹性行为。流变测定法和压缩测试揭示了肿瘤衍生样本的一致力学变化，表现为刚度增加和力依赖的非线性行为，反映了侵袭性表型典型的细胞外基质（ECM）重塑。这种刚性的增加可能通过阻碍药物输送和改变细胞机械转导而对化疗有效性产生不利影响。这些生物力学指纹能够定量区分健康组织和癌组织，并可作为恶性肿瘤的替代标志物。通过支持力学知情的诊断工具的开发，该平台提供了一个可重复的、临床相关的框架，将生物力学筛选整合到转化乳腺癌流程中。

研究人员针对当前肿瘤生物力学研究中缺乏系统性量化模型的问题，开发了结合工程化3D球体与离体组织分析的多模态实验平台。该研究旨在通过分析健康和恶性乳腺组织的粘弹性特征，建立一种可重复的生物力学基准，为转化乳腺癌研究提供新的工具。相关成果已发表在《Bioengineering》期刊上。

为实现这一目标，研究人员采用了以下关键技术方法：首先，利用液体覆盖技术构建了非肿瘤性（FP-MSC）和肿瘤性（MDA-MB-231-GFP）细胞的3D球体模型；其次，制备了甲基丙烯酰化I型胶原水凝胶作为支撑基质；随后，利用旋转流变仪进行了应变扫描和频率扫描的振荡测量，获取储能模量（G'）和损耗模量（G''）；此外，还使用了配备1N载荷细胞的机械测试系统对离体组织进行了单轴压缩测试；最后，通过统计学分析对数据进行处理。

研究结果如下：

1. 1.
   球体活力
   研究人员通过CellTiter-Glo 3D Assay和Live/Dead染色评估了球体的代谢活性和形态。结果显示，与二维培养相比，三维球体的代谢活性显著降低，且随着时间推移出现了坏死核心，这是此类3D结构的固有特征。尽管存在坏死核心，但在培养3天后球体仍保持存活状态，这为后续的力学测试提供了基础。
2. 2.
   体外3D模型的力学表征
   通过流变学分析，研究人员发现嵌入胶原水凝胶的肿瘤球体（T-S）比非肿瘤球体（NT-S）表现出显著更高的G'值（约2.45×10⁵Pa vs 9.70×10⁴Pa，ω～1 rad/s），表明肿瘤球体刚度更大。此外，肿瘤球体的tan δ值更低，显示出更明显的固体样行为。计算得出的杨氏模量（E）进一步证实了肿瘤球体具有更强的刚性，这与癌细胞重塑ECM的能力有关。
3. 3.
   离体组织生物力学
   为了验证体外模型的生理相关性，研究人员对小鼠乳腺脂肪垫（健康对照）和MDA-MB-231荷瘤组织进行了力学测试。流变学结果显示，肿瘤组织在ω～1 rad/s时的G'值约为2.38×10⁵Pa，比健康组织（2.45×10⁴Pa）高出约10倍。压缩测试同样证实肿瘤组织（E=5.22×10⁴Pa）比健康组织（E=3.68×10⁴Pa）更硬。值得注意的是，研究人员观察到健康组织表现出力软化响应，而肿瘤组织则表现出力硬化行为，这强调了在不同法向力（F_N）范围内比较力学特性的重要性。

在讨论部分，研究人员指出，该平台成功地在体外和离体模型之间建立了力学特性的一致性，验证了其在临床前研究中的潜力。通过结合流变学和压缩测试，研究揭示了肿瘤组织独特的非线性力学行为及其对治疗的潜在影响，例如增加的刚度可能会阻碍药物扩散并激活导致化学耐药性的机械转导通路。此外，该研究强调了将机械参数纳入诊断工作流程和治疗规划的重要性。

研究结论表明，这项概念验证研究引入了一种可扩展的乳腺癌生物力学分析平台，该平台采用多模态策略连接了3D体外球体和初步的离体组织力学。这种跨生物系统复制和比较力学特征的能力，支持了药物筛选和力学知情疗法设计以及物理生物标志物发现的应用，旨在通过改善药物输送和治疗效果来造福癌症患者。未来的工作将侧重于扩展到更大的离体队列以验证稳健性，并通过整合动态线索和患者特异性模型来拓宽生物学复杂性。