细胞外基质的机械性质对肝癌发展的影响

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摘要：摘要 生物组织中的细胞处于充满细胞外基质(ECM)的三维环境中，ECM不仅为细胞提供物理支架，还产生有关肿瘤细胞生物学功能的生化或生物物理信号。在许多模拟体内细胞基质相互作用的方法中，利用水凝胶进行细胞培养已经揭示了一些基质机械性质协调细胞行为的基

　　摘要 生物组织中的细胞处于充满细胞外基质(ECM)的三维环境中，ECM不仅为细胞提供物理支架，还产生有关肿瘤细胞生物学功能的生化或生物物理信号。在许多模拟体内细胞—基质相互作用的方法中，利用水凝胶进行细胞培养已经揭示了一些基质机械性质协调细胞行为的基本现象。肝细胞癌(HCC)是最常见的原发性恶性肿瘤之一，其发展与组织硬度密切相关：正常的肝脏组织在受到刺激损伤后发生炎症，随后转化为肝纤维化，然后恶化为肝硬化，最终发展为肝细胞癌。随着这个过程的发展，肝组織的硬度不断增加，而增加的基质硬度又促进肝癌细胞的增殖、迁移、上皮细胞—间充质转化和耐药性，促进了HCC的发展。表明了基质机械性质在促进肝癌恶化进程中的重要作用。本文综述了细胞外基质的机械性质对肝癌发展的影响，并展望了基于力学微环境揭示肝癌病理机理的重要意义。

　　关 键 词 细胞外基质;肝细胞癌;硬度;水凝胶;肿瘤微环境

　　引言

　　生物组织中的细胞处于充满细胞外基质(ECM)的三维环境中，以ECM作为支架实现了细胞与细胞之间、细胞与环境之间的物质和能量交换，通过信号转导系统影响细胞的形态、代谢、功能、迁移、增殖和分化等行为。除生物化学因子外，ECM为细胞的生存和功能提供了适宜的机械力学环境，包括基底刚度、流体静压、剪切应力、应变、压力和张力等物理信号。这些力学因素在调控细胞的正常生理功能、疾病的发生中同样起着重要作用。例如，在胚胎发育阶段，细胞外基质的硬度参与了胚胎干细胞向不同类型细胞的分化过程;同一器官的健康状态和疾病状态之间表现出显著的机械性能差异[1]。在某些癌变组织中，由于细胞的无限增殖，血管的高渗透性，淋巴引流不足以及细胞外基质沉积的增加，导致实体肿瘤组织与未转化的正常组织相比硬度显著增加。值得注意的是，细胞机械微环境的改变又反作用于细胞本身，进一步调控细胞增殖、侵袭、凋亡、抗药性、血管生成、代谢和促进生长的信号通路，从而导致肿瘤恶性化进程[2-5]。越来越多的证据表明，物理机械环境是调控肿瘤发展的关键因素。

　　肝细胞癌(HCC)是最常见的原发性恶性肿瘤之一，是一个连续的、多步骤进展的癌变病理过程，且绝大多数发生在肝纤维化和肝硬化的基础上，复发频率高且预后差。目前，通过医学影像对肝脏硬度的检测已经成为诊断癌前病变与 HCC的重要手段。肝纤维化、硬化结节病变过程导致肝细胞生长的微环境改变，包括生化因素和生物力学因素[6]，而这些改变反过来促进HCC的发展，提高了肝癌细胞的增殖活性和侵袭性。2011年Schrader 等[7]发现增加基质硬度可促进肝癌细胞增殖和对化疗的耐药性，而软基质环境可诱导HCC中可逆性细胞休眠和干细胞特征。2019年Gao等[6]研究发现机械适应赋予肝癌细胞运动性和对索拉非尼的耐药性增加，且肝硬化硬度影响肌动蛋白的组织和肝癌细胞迁移，增加患者的临床预后风险。此外，机械力学微环境对肝细胞的癌变、形态、增殖、代谢以及迁移等细胞活性有着重要作用。基于此，本文总结了肝硬化与肝癌的发展过程、细胞外基质的作用及体外模拟，以及细胞外基质硬度对肝癌发展的影响，并展望了基于力学微环境揭示肝癌病理机理的重要意义。

　　1 肝硬化与肝癌的发展过程

　　肝脏负责营养素的代谢、合成、储存和再分配，并且在体内平衡中起着核心作用。肝细胞癌形式的原发性肝癌是全球第五大常见的癌症，是男性中第五常见的恶性肿瘤，在女性最常见的恶性肿瘤中排第九[8]，并且是第二大最常见的癌症死亡原因[9]，主要治疗手段是切除手术和移植手术[10]。我国是原发性肝细胞肝癌的高发国家，HCC是肝癌最主要的病理类型，占90%以上，具有侵袭性、转移及复发率高等特点[11]。HCC是一个连续的、多步骤进展的癌变病理过程，且绝大多数发生在肝硬化的基础上，如图1[12]所示正常的肝脏组织在病毒、酒精、活性氧等刺激损伤后发生炎症，随后转化为肝纤维化(Stage 1)，然后恶化为肝硬化(Stage 2)，最终发展为肝细胞癌(Stage 3)(HCV：丙型肝炎病毒; HBV：乙型肝炎病毒;NAFLD：非酒精性脂肪肝疾病;NASH：非酒精性脂肪性肝炎)。

　　1.1 正常肝到肝纤维化(Stage 1)

　　毒素、病毒、胆汁淤积、应力、活性氧、自身免疫性损伤、代谢产物等刺激可引起慢性肝脏疾病，当这些刺激对肝脏重复损伤或长期持续时，肝再生就会失败，这将导致胶原ECM(主要是I型胶原)的过度积累——称为“肝纤维化”。这些损伤通过诱导细胞因子/生长因子和其他激活纤维化的下游效应子——主要是活化的肝星状细胞(HSC)和成肌纤维细胞(MF)以及程度较低的活化的窦状内皮细胞，从而驱动纤维生成(增强的ECM合成)[13-16]，导致ECM成分如胶原的沉积增加。同时HSC/MF和各种其他细胞会增加金属蛋白酶的组织抑制剂(TIMP-1)的合成，降低基质金属蛋白酶(MMP)的含量和活性。MMPs在错误的位置或时间发生的失活和活性降低也会促进细胞迁移和增殖，可驱动继发性纤维化反应，最终形成肝纤维化[17]。因此，肝纤维化是所有慢性肝病(CLD)的常见结局[18]。纤维化伴随着免疫细胞组成的改变和血管生成的改变，最终导致严重的结构改变，损害器官功能[19]。

　　1.2 纤维化发展为肝硬化(Stage2)

　　肝纤维化的终末期不可逆转的结果是大量的发病和死亡，其特征是形成被纤维化隔膜包围并分隔的实质的再生结节。全世界有1.7亿患者患有慢性肝病，其中25%至30%会发展为明显的纤维化并最终发展为肝硬化[18]。如果损伤因素长期不能去除，纤维化的过程长期持续就会发展成肝硬化。在慢性肝病末期观察到的一组形态学改变，以肝实质的血管结构紊乱为特征，肝脏逐渐变形、变硬而被称为“肝硬化”[20]。肝硬化肝细胞的特征在于波形蛋白和I型胶原蛋白的表达增加，表明上皮-间充质转化(EMT)的开始，即上皮细胞失去表型特征并获得间充质细胞特征的过程[21]。此外肝硬化伴随肝细胞增殖减少，表明肝脏的再生能力用尽，并导致纤维组织增加和肝细胞破坏，最终可能导致癌性结节的发展[22]。

　　1.3 肝细胞癌合并肝硬化(Stage3)

　　肝硬化患者的5年累积肝细胞肝癌发生率为 5%～30%[23]，但由于大多数肝硬化患者无症状，因此很难诊断出早期肝癌[24]，所以有肝症状和肝癌的患者通常被认为已经患有晚期肝癌。临床数据表明，80%以上的HCC患者具有肝硬化或重度肝纤维化，几乎所有患有肝细胞癌的患者都患有肝硬化[25-26]，而且肝硬化常阻碍对 HCC的有效治疗。在一些发达国家，与肝硬化相关的HCC死亡率不断上升，而非肝硬化为并发症的肝癌死亡率则下降或保持稳定。研究表明，肝癌目前是代偿性肝硬化患者与肝相关死亡的主要原因[23]。

　　2 细胞外基质的作用及体外模拟

　　2.1 细胞外基质参与调节细胞生理过程

　　所有组织和器官都包含细胞和非细胞成分，由细胞分泌到细胞外的大分子物质，如胶原蛋白、层黏连蛋白、蛋白聚糖等，形成了良好的组织网络，称为细胞外基质(ECM)。ECM不仅为细胞提供物理支架，还含有大量的信号分子，积极参与许多细胞过程，包括生长、迁移、分化、存活、体内稳态和形态变化等。ECM可为细胞提供结构支持和锚定位点，并赋予部分组织的生物力学特性[27-28]。ECM蛋白也可以直接通过它们的受体(如整联蛋白)或通过调节生长因子将信号转导给细胞[29]。ECM引导信号转导并调节基因转录，从而指导必要的组织形态和生理功能。ECM在生理、发育和衰老中起着关键作用[30]。越来越多的报道揭示ECM的机械性质在细胞功能调节中起着至关重要的作用[31-32]。ECM的生物化学、生物力学、组织特性和保护性在不同组织之间，甚至在一个组织从一种生理状态到另一种生理状态(正常与癌变)之间，都可能有很大差异[33]。

　　2.2 基质硬化与肿瘤发展

　　目前，ECM对肿瘤细胞侵袭和转移的生化作用已有较多的文献记载[34]，但对它们的生物物理信号作用的研究相对较少。Ulrich等[35]发现随着ECM硬度降低到与正常脑组织相当的值，肿瘤细胞变得圆润并且无法有效迁移。此外，细胞增殖受ECM硬度的调节也较为明显，与软的ECM相比，较硬的ECM能促进细胞的分裂。基质硬化是实体瘤最显著的机械和物理特征，主要是由于细胞外基质蛋白过度沉积和交联所致[36]。癌细胞与癌症相关的成纤维细胞和巨噬细胞协同工作，通过一些活动调节ECM：一些沉积结构成分的增多(如例如胶原蛋白I[37]，胶原蛋白II，III，V，IX[38]);各种生长因子和细胞因子的分泌(如IGF1，EGF，TGFβ，VEGF[39]，赖氨酰氧化酶[40])。在这些活动增多的情况下，癌细胞募集并转化基质细胞，继而协调基质的拓扑结构重构，机械刚度增加。而机械刚度增加可能会破坏细胞表面力的平衡，促进整联蛋白聚集和粘着斑形成，从而将外源基质产生的力信号传递到细胞中，并最终影响它们的生物学表型和特性，例如细胞的形态、生长、分化，以及蛋白质、细胞因子的合成分泌和代谢[41-42]，還通过细胞骨架重塑来调节细胞迁移。癌症转移需要肿瘤细胞侵入基质，并使肿瘤细胞通过基质直接向脉管系统和淋巴系统迁移，之后扩散和定殖次级器官。在原发性肿瘤组织内形成的物理和生化梯度会促进肿瘤细胞的侵袭，并推动肿瘤细胞向血管和淋巴管的持续迁移，从而促进肿瘤细胞的扩散[43]。基质与癌细胞之间这种复杂的相互作用形成了基于生物化学和生物物理信号作为调节因素的动态前馈/反馈回路。因此，生物物理信号逐渐成为人们研究癌症转移的关键切入点[44]。

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