乳腺癌细胞集体侵袭机制新解：突起与胶原变形的独特作用

为探究肿瘤细胞和癌相关成纤维细胞（CAFs）在集体侵袭中的作用，华盛顿大学研究人员以 4T1 肿瘤细胞和小鼠肿瘤来源的 CAF 细胞系为对象开展研究。结果发现二者侵袭机制不同，且细胞组成影响侵袭。这为癌症治疗提供了细胞类型特异性的策略参考。

　　在癌症的发展进程中，肿瘤细胞的转移如同一场可怕的 “入侵战争”。肿瘤细胞会集体突破肿瘤 - 基质边界，进入血液循环，开启致命的转移之旅。在这个过程里，肿瘤微环境（TME）中存在多种细胞，就像一个复杂的 “战场”，每种细胞都可能在肿瘤的侵袭中扮演独特角色。然而，一直以来，大家并不清楚不同细胞类型在重塑肿瘤微环境和推动肿瘤侵袭中具体发挥着怎样的作用。特别是肿瘤细胞和癌相关成纤维细胞（CAFs），虽然知道它们都参与了肿瘤侵袭，但它们在通过胶原重塑和集体侵袭方面的相对贡献却充满了未知。

为了揭开这些谜团，来自华盛顿大学（Washington University in St. Louis）的研究人员开展了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Biophysical Journal》上，为我们理解肿瘤侵袭机制带来了新的曙光。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

1. 细胞培养技术：培养了小鼠乳腺癌细胞 4T1 - GFP（K14⁺，GFP 标记）、乳腺癌来源的成纤维细胞 CAF DDR2^+/+及其突变体 4T1 - shCDH3、CAF DDR2^-/- 。
2. 凝胶制备与处理：在 96 孔板中制备 3D 胶原凝胶，用于构建细胞生长微环境。
3. 药物处理：使用 CK - 666 抑制 Arp2/3 活性，用 blebbistatin 抑制肌球蛋白 - II 的活性，以探究相关蛋白在细胞侵袭中的作用。
4. 成像与分析技术：运用多种成像技术，如时间 - lapse 成像、二次谐波生成（SHG）成像、免疫荧光染色成像等，对细胞侵袭、胶原变形、细胞突起和胶原纤维排列等进行观察和分析。

下面让我们详细看看研究的具体结果：

1. 4T1 肿瘤细胞与 CAFs 的侵袭差异：研究人员通过时间 - lapse 成像观察发现，4T1 肿瘤细胞比 CAFs 的侵袭能力更强，但产生的胶原变形率却更低。在实验中，4T1 细胞在 24 小时内以放射状对称的方式集体向外侵袭，而 CAFs 虽然形成的突起流更长，但向外集体侵袭的能力较弱。从量化数据来看，4T1 细胞的净侵袭面积和面积扩张率都高于 CAFs，尽管 CAFs 产生的胶原变形率更高。这一结果表明，细胞产生的胶原变形率与侵袭能力之间并非简单的正相关关系。
2. 细胞侵袭依赖的机制不同：进一步研究发现，4T1 肿瘤细胞的侵袭主要依赖基于肌动蛋白（actin）的突起，如丝状伪足（filopodia）和片状伪足（lamellipodia），而 CAFs 则更依赖基于肌球蛋白（myosin）的收缩性。通过对细胞突起类型的分类和分析，发现 4T1 细胞主要利用丝状伪足和片状伪足进行迁移，几乎没有泡状突起（blebs）；而 CAFs 的泡状突起明显增多，这与其较高的胶原变形能力相符合。同时，抑制 Arp2/3（一种对肌动蛋白聚合和分支起关键作用的蛋白）的活性，会显著抑制 4T1 细胞和 CAFs 的侵袭；但抑制肌球蛋白 - II 的活性，对 4T1 细胞的侵袭影响较小，却对 CAFs 的侵袭产生较大阻碍。
3. 胶原密度对细胞侵袭的影响：当研究人员增加胶原密度时，发现 4T1 细胞在更高密度的胶原环境中，产生的胶原变形率更高，但侵袭速度却有所下降；而 CAFs 在更高密度的胶原中，侵袭和胶原变形率都降低了。在这种情况下，4T1 细胞为了在更致密的胶原中侵袭，需要增加与胶原纤维的力相互作用，产生更高的整体变形和纤维取向；而 CAFs 则似乎难以适应这种环境变化。此外，研究还发现，在致密胶原中，Arp2/3 的活性对 4T1 细胞和 CAFs 的侵袭都至关重要，而肌球蛋白 - II 的活性则相对不那么重要。
4. 关键基因对细胞侵袭的影响：研究人员发现，4T1 细胞中 CDH3 基因的缺失，会使其失去形成流状突起的能力，导致细胞以单细胞散射的方式侵袭，并且对不同胶原密度不再敏感；而 CAFs 中 DDR2 基因的缺失，会使细胞更容易以流状突起的方式分散和侵袭，同样对胶原密度的差异变得不敏感。这表明 CDH3 和 DDR2 在细胞感知和响应胶原密度变化的过程中起着关键作用。
5. 胶原纤维取向与细胞侵袭的关系：研究人员通过定制的磁性装置制备了预排列的胶原基质，发现细胞在集体侵袭过程中能够重新定向预排列的胶原纤维。4T1 细胞倾向于将胶原纤维排列在迁移方向上，而 CAFs 则使周围的胶原纤维更倾向于随机排列。这种纤维取向的差异与细胞的侵袭能力密切相关，更均匀分布的胶原纤维与更大的净侵袭相关，而较高的纤维取向则会抑制细胞的径向侵袭。
6. 细胞组成对侵袭的影响：在肿瘤中，细胞是异质性的，研究人员探究了 4T1 细胞和 CAFs 不同比例的共培养体系对侵袭的影响。结果发现，适度添加（10%）的 CAFs 可以增强 4T1 细胞的侵袭能力，这可能是因为少量的 CAFs 能够进行最佳的胶原重塑，促进细胞侵袭；但当 CAFs 的比例增加到 50% 时，反而会阻碍侵袭，这可能是由于过多的 CAFs 导致胶原纤维过度排列，限制了细胞的有效侵袭。

综合上述研究结果，研究人员在讨论部分指出，肿瘤微环境中的细胞通过不同的机制参与肿瘤侵袭。4T1 肿瘤细胞主要依赖突起进行侵袭，而 CAFs 则依赖肌球蛋白 - 基于的收缩性来变形胶原。在不同密度的胶原环境中，细胞的侵袭策略会发生变化，并且细胞之间的相互作用也会影响侵袭能力。这项研究强调了理解不同细胞类型在肿瘤侵袭中依赖的不同内在特征的重要性，为开发更精准有效的癌症治疗方法提供了理论基础。它提示我们，在设计癌症治疗策略时，应充分考虑细胞类型特异性的分子调节机制，尤其是利用对应不同癌症阶段的原代细胞进行研究，有望进一步提高癌症治疗的精度和效果 。