仿生有机水凝胶揭示脂肪组织局部力学各向异性调控卵巢癌侵袭

本刊推荐：为解决卵巢癌(HGSC)向脂肪组织转移机制不明的问题，研究人员开发了仿生有机水凝胶(OHG)模型，重现了人腹膜脂肪组织的结构、力学和生化特性。研究发现卵巢癌细胞侵袭受脂肪组织力学各向异性和微结构调控，依赖于细胞收缩力而非基质降解，TGFβ信号和ECM粘附是关键调控因子。该模型为研究高细胞密度复杂组织结构的体外模拟提供了重要工具。

　　

卵巢癌是致死率最高的妇科恶性肿瘤，其中高级别浆液性卵巢癌(HGSC)是最常见的亚型，占所有病例的70%。这种癌症通常通过腹腔转移的方式扩散，癌细胞脱落后随腹水流动，附着在间皮细胞层上，并侵袭大网膜和腹膜的脂肪组织。这种对脂肪组织的定向迁移现象在血行转移途径中也有观察到，但癌细胞如何在这种独特环境中迁移仍不清楚。

脂肪组织与其他组织不同，具有高细胞性特点，主要由脂肪细胞组成，而含有细胞外基质(ECM)的间隙空间体积很小。然而，在卵巢癌侵袭过程中，脂肪细胞会收缩并逐渐被富含ECM的基质所取代。理解卵巢癌细胞侵袭脂肪组织的过程以及脂肪微环境独特的微结构和生物物理特性的影响，对于阐明转移机制至关重要。

为了研究这些过程，Jordi Gonzalez-Molina等研究人员在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们开发了仿生有机水凝胶(OHG)，能够重现人脂肪组织的结构、力学和生化特性。这一创新模型为研究卵巢癌在脂肪组织中的转移机制提供了强有力的工具。

研究人员使用了几种关键技术方法：开发了基于胶原和透明质酸(NB-HA)的有机水凝胶(OHG)系统，模拟人腹膜脂肪组织的微结构和力学特性；利用患者来源的腹膜组织样本和卵巢癌细胞系进行体外侵袭实验；通过原子力显微镜(AFM)和流变学分析表征材料力学性能；采用免疫荧光染色和共聚焦显微镜观察细胞行为和信号通路激活；使用小分子抑制剂和激动剂进行功能验证实验。患者样本来自卡罗林斯卡大学医院的卵巢癌减灭术。

Organo-hydrogels mimic human peritoneal adipose tissues

研究人员设计了包含模拟脂肪细胞相的微滴和富含ECM的水相组成的有机水凝胶(OHG)。微滴大小(~70μm)与腹膜脂肪细胞平均大小相当，油体积分数(90±1%)与腹膜脂肪组织(91±2%)相近。OHG的储能模量和应力松弛特性与天然腹膜组织相匹配，局部力学特性也相似，表明OHG的结构和力学特性与天然腹膜脂肪组织相似。

Adipose invasion tropism is recapitulated in organo-hydrogels

研究发现卵巢癌细胞在OHG中表现出侵袭性向性，重现了在天然脂肪组织中观察到的行为。OVCAR8和CAOV3细胞在OHG中表现出增加的细胞球面积和侵袭性，而在胶原凝胶中侵袭最小。在人类腹膜组织外植体实验中，OVCAR8细胞在脂肪组织中的侵袭深度也大于结缔组织。来自HGSC患者的恶性腹水细胞在OHG中的侵袭也增强。

ECM adhesion and TGFβ regulate ovarian cancer invasion

研究发现OVCAR8细胞在OHG中显示增强的粘着斑激酶(pFAK)和肌球蛋白轻链(pMLC)磷酸化，以及YAP/TAZ核定位。细胞在微滴-ECM界面展开，表现出改变的形态和核形态。抑制整合素β1、FAK、肌球蛋白II、ROCK或YAP减少了细胞侵袭。TGFβ信号也被证明是调节卵巢癌细胞侵袭的关键因素，抑制TGFβ信号减少了侵袭，而TGFβ处理增强了侵袭。

Invasion is regulated by the mechanical anisotropy of adipose tissues

研究发现卵巢癌细胞侵袭不依赖于MMP活性，而是通过细胞收缩力在脂肪细胞/微滴-ECM界面形成迁移轨迹。细胞在微滴-ECM界面展开并使其变形，表明细胞迁移是粘附介导的。抑制ROCK abolished侵袭并减少核变形。通过使用交联PDMS微珠代替液体微滴，逆转界面力学各向异性，显著减少了细胞侵袭。

Microdroplet and adipocyte size regulate cell invasion

研究发现微滴大小和体积分数对细胞侵袭有显著影响。在80%油体积分数下，70和25μm微滴OHG中OVCAR8细胞球大小和侵袭最大，而更大和更小的微滴显示减少的侵袭。降低总油体积分数减少了140和70μm微滴OHG中的细胞球面积，但在25和15μm微滴OHG中，细胞球面积在60和30%油体积分数时最大。在人类腹膜组织中，细胞侵袭与脂肪细胞大小呈正相关。

研究结论和讨论部分强调了这项研究的重要意义。仿生OHG成功重现了天然脂肪组织在纳米到宏观尺度的结构和力学特性，为研究卵巢癌在脂肪组织中的转移机制提供了强有力的体外模型。研究发现卵巢癌细胞侵袭脂肪组织不依赖于MMP活性，而是由脂肪细胞-ECM界面的力学各向异性和微结构调控，依赖于细胞收缩力和粘附介导的迁移。

这一发现揭示了脂肪组织生物物理特性在癌症转移中的重要作用，挑战了传统的基于蛋白酶降解的细胞迁移范式。研究表明，较大的脂肪细胞(如高体重指数女性中观察到的)可能更容易允许细胞侵袭，这为了解肥胖与卵巢癌预后较差之间的关联提供了机械性见解。

研究还发现TGFβ信号和ECM粘附是调节卵巢癌细胞侵袭的关键分子机制，这为开发针对ECM和相关信号的治疗策略提供了理论基础。多种针对ECM和相关信号的卵巢癌临床试验目前正在进行中。

这项研究不仅增进了对卵巢癌脂肪组织转移机制的理解，而且开发的OHG平台为研究其他涉及脂肪组织的癌症类型(如胃癌、乳腺癌、结肠癌、胰腺癌、肾癌和白血病)提供了重要工具。该平台还将有助于完全理解基质-癌细胞通信过程，这是理解大网膜和腹膜转移演变的关键。

总的来说，这项研究揭示了脂肪组织生物物理特性在调控癌细胞迁移中的重要作用，并提供了一个强大的体外平台来研究和模拟脂肪组织转移。这些发现为开发新的治疗策略靶向ECM和相关的信号通路提供了基础，可能改善卵巢癌患者的治疗效果。