工程师发现癌细胞具有深入其环境的非凡能力

在1835年安徒生童话《公主与豌豆》中，公主被认为是真实的，因为她对床上20张床垫下的豌豆很敏感。圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的一项新研究发现，就像传说中的公主一样，癌细胞可以感知它们通常行进的顶部胶原蛋白层下方的一层细胞，而正常细胞则不能。

机械工程和材料科学副教授Amit Pathak和Pathak实验室的博士后研究助理Christopher Walter发现，癌细胞具有他们所谓的“深度机械传感”，或者能够感知其直接细胞外基质下远处环境的特性。.这可能意味着远离细胞的细胞外基质的机械性能可以调节细胞迁移。他们的研究结果于5月<>日在线发表在Cell Reports上。

Pathak和他的团队长期以来一直在研究细胞迁移的方式，以确定癌性肿瘤如何侵入组织，伤口如何愈合以及器官和组织如何发育。他们之前已经表明，由于更大的力和牵引力，细胞在较硬的环境中比在柔软的环境中移动得更快。

在这项新工作中，Pathak和Walter创造了两种水凝胶 - 一种僵硬，一种柔软 - 并在顶部添加了一层基于胶原蛋白的细胞外基质。使用各种技术，包括原子力显微镜，高分辨率成像和细胞迁移动力学分析，他们监测了人类乳腺正常上皮细胞和表面三阴性乳腺癌细胞的行为。

正常细胞的形状或大小几乎没有变化，并且在胶原蛋白层的顶部缓慢移动。坚硬的底层凝胶上的癌细胞拉长并延伸了更稳定的突起，这有助于它们跨基质层进行通信，迁移速度更快，并且由于其深度机械传感而产生更大的胶原纤维拉力。

“细胞深入感知环境，它们的极性根据细胞告诉它的内容在细胞外基质中安装极性，”Pathak说。“这些行为表明癌细胞的形状受到底层凝胶刚度的影响，而正常细胞只对直接柔软的胶原蛋白凝胶做出反应。这是以前不知道的事情。

沃尔特说，细胞的极性也有助于产生细胞向特定方向移动的力，但它们也需要能够拉动胶原纤维并改变其环境，因为它对迁移更友好。

“我们能够通过切割胶原蛋白本身或交联来摆脱它们感知远距离基质的能力，消除基质给细胞的反馈，”沃尔特说。“如果你失去了任何一种机制，反馈就会停止，所以他们必须同时拥有这两种机制。

Pathak说，这种来自表面的反馈对细胞很重要。机械工程与材料科学博士生Jairaj Mathur开发了一种计算模型，将细胞的极化力与胶原蛋白重塑相结合，以解释实验中观察到的深度传感。

“我们的模型表明，如果你在细胞和基质之间没有这种反馈，那么这种深度感应可能会在短时间内发生，但它不会持续下去，”他说。“这就是为什么癌细胞擅长这一点，因为它们可以将基质招募到迁移和深度感应中。

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