固体、液体还是气体？该技术可快速识别组织和肿瘤的物理状态

这种方法可能是一种更快、侵袭性更小的癌症诊断方法。

　　

当一个有机体成长时，它的感觉也会改变。在最初的阶段，胚胎处于一种几乎是液体的状态，这允许它的细胞分裂和扩张。当它成熟时，它的组织和器官会凝固成最终的形状。在某些物种中，生物体的这种生理状态可以作为其发育阶段的指标，甚至是其总体健康状况的指标。

现在，麻省理工学院的研究人员发现，组织细胞的排列方式可以作为组织“阶段”的指纹。他们已经开发出一种方法来解码组织中细胞的图像，从而快速确定该组织是更像固体、液体还是气体。他们的发现发表在本周的《PNAS》上。

该团队希望他们称之为“构型指纹”的方法可以帮助科学家追踪胚胎发育过程中的物理变化。更直接的是，他们将这种方法应用于研究并最终诊断一种特定类型的组织:肿瘤。

在癌症中，已经有证据表明，就像胚胎一样，肿瘤的物理状态可能表明其生长阶段。固体肿瘤可能相对稳定，而液体样肿瘤更容易发生突变和转移。

麻省理工学院的研究人员正在分析在实验室中生长的肿瘤图像和病人的活组织切片，以识别细胞指纹，以表明肿瘤更像固体、液体还是气体。他们设想，有一天，医生可以将肿瘤细胞的图像与细胞指纹相匹配，从而快速确定肿瘤的阶段，并最终确定癌症的进展。

麻省理工学院机械工程副教授Ming Guo说:“我们的方法可以很容易地诊断癌症状态，只需检查活检中细胞的位置。我们希望，通过简单地观察细胞的位置，医生可以直接判断肿瘤是非常坚实的，这意味着它还不能转移，还是它更像液体，病人是否有危险。”

三角形的顺序

在一个完美的固体中，材料的各个成分被配置成一个有序的晶格，就像立方体中的原子一样。如果你切一片晶体，把它放在桌子上，你会看到原子的排列，你可以把它们连接成一个重复三角形的模式。在一个完美的固体中，由于原子之间的间距是完全相同的，连接它们的三角形通常是等边形状。

Guo将这种结构作为一个完美固体结构的模板，其想法是，它可以作为一个参考，比较实际的、不完全固体的组织和肿瘤的细胞构型。

“真正的组织从来都不是完美有序的，”Guo说。“他们大多是混乱的。但他们的紊乱程度仍有细微的差别。”

根据这个想法，研究小组从各种组织的图像入手，用软件绘制出组织细胞之间的三角形连接。与完美立体中的等边三角形相比，地图生成了各种形状和大小的三角形，表示空间有序(和无序)范围内的细胞。

对于图像中的每个三角形，他们测量了两个关键参数:体积顺序，即三角形内的空间;剪切顺序，或者说三角形与等边的距离。第一个参数表明材料的密度波动，而第二个参数说明材料有多容易变形。他们发现，这两个参数足以确定一个组织是更像固体、液体还是气体。

“我们直接计算这两个参数的精确值，并将其与完美固体的参数进行比较，然后将这些精确值作为我们的指纹，”Guo解释道。

蒸汽卷须

该团队在几个不同的场景中测试了它的新指纹技术。第一个是模拟两种分子的混合，它们的浓度逐渐增加。对于每个浓度，他们将分子映射成三角形，然后测量每个三角形的两个参数。通过这些测量，他们描述了分子的相，并能够再现出预期的气、液、固之间的转变。

“人们知道在这个非常简单的系统中会发生什么，而这正是我们所看到的，”Guo说。“这证明了我们的方法的能力。”

研究人员接着将他们的方法应用于细胞而不是分子系统。例如，他们看了其他研究人员拍摄的关于果蝇翅膀生长的视频。运用他们的方法，他们可以识别出正在发展的机翼中从固体状态转变为流体状态的区域。

“作为一种流动，这可能有助于增长，”Guo说。“具体是如何发生的仍在调查中。”

他和他的团队还从人类乳腺组织的细胞中培育出了小肿瘤，并观察到肿瘤长出了类似于附肢的卷须——这是早期转移的迹象。当他们绘制肿瘤细胞的结构时，他们发现非侵袭性肿瘤类似于固体和液体之间的东西，侵袭性肿瘤更像气体，而卷须则显示出更无序的状态。

“浸润性肿瘤更像水蒸气，它们想扩散到任何地方，”Guo说。“液体几乎不能被压缩。但是气体是可压缩的，它们很容易膨胀和收缩，这就是我们在这里看到的。”

该团队正在研究人类癌症活检的样本，他们正在对这些样本进行成像和分析，以磨练它们的细胞指纹。最终，Guo设想绘制一个组织的阶段可以成为诊断多种癌症的一种快速且侵入性较小的方法。

“医生通常必须进行活组织检查，然后根据癌症类型对不同的标志物进行染色，以作出诊断，”Guo说。“也许有一天，我们可以使用光学工具在不接触患者的情况下，观察细胞的位置，并直接告诉患者癌症处于什么阶段。”