机械力环境影响头颈癌生物学行为及作用机制的研究进展.pdf

国际口腔医学杂志 International Journal of Stomatology2023-07 50（4）机械力环境影响头颈癌生物学行为及作用机制的研究进展孙晓倩1,2 张军1,21.天津市口腔医院口腔颌面外科 南开大学医学院 天津 300041；2.天津市口腔功能重建重点实验室 天津 300041摘要 随着肿瘤细胞外基质力学特性逐步被认识，在二维和三维培养条件下考察机械力环境影响肿瘤生物学行为的研究也越来越多。机体的细胞外基质中存在各种机械力，这些力学信号可以转化为生化信号，改变组织细胞微环境并影响其代谢，从而驱动肿瘤发展。本文就拉伸力、压应力和流体剪切力这3种常见机械力对头颈癌细胞增殖、侵袭、迁移等生物学行为的影响及其相关机制进行文献回顾和综述，为进一步探讨机械力环境在头颈癌中发挥的作用提供依据。关键词 头颈癌；拉伸力；压应力；流体剪切力；生物学行为中图分类号 R 739.8 文献标志码 A doi 10.7518/gjkq.2023047Advances in the effects of mechanical environment on the biological behaviors and mechanism of head and neck cancer Sun Xiaoqian1,2,Zhang Jun1,2.(1.Dept.of Oral and Maxillofacial Surgery,Tianjin Stomatological Hospital,School of Medicine,Nankai University,Tianjin 300041,China;2.Tianjin Key Laboratory of Oral and Maxillofacial Function Reconstruction,Tianjin 300041,China)This study was supported by Tianjin Clinical Medicine Key Discipline Special Fund(TJYXZDXK-048A).Abstract With the gradual understanding of the mechanical properties of tumor extracellular matrix,research that focuses on tumor biological behavior by examining the mechanical environment in two-and three-dimensional culture conditions is also increasing.There are various mechanical stimulations in the extracellular matrix of the body.These mecha-nical signals can be converted into biochemical signals,changing the microenvironment of tissue cells and affecting their metabolism to drive the development of tumors.Therefore,in this paper,we review the effects of three common mechanical forces,including tension,compression,and fluid shear stress,on the biological behaviors of proliferation,migration,and invasion in head and neck cancer and related mechanisms.The aim is to gain a better understanding of the key role of mechanical environment in head and neck cancer.Key words head and neck cancer;tension;compression;fluid shear stress;biological behavior头颈癌（head and neck cancer，HNC）是指发生在口腔、耳鼻喉部、咽部、唾液腺和甲状腺等部位的癌症，是最常见的恶性肿瘤之一，其中超过90%是鳞状细胞癌1。HNC最显著的特点是容易发生局部复发以及区域性、远处转移，其5年生存率低于50%2。HNC的发展是一个复杂且由多因素调控的生物学过程，在此过程中，细胞外基质（extracellular matrix，ECM）和肿瘤细胞相互作用使得ECM发生沉积、修饰、水解和重塑，进而创造出促进肿瘤发展的微环境3。头颈部的血液及淋巴循环丰富，同时肌群众多，参与包括咀嚼、吞咽、言语在内的多种重要生理功能，使得HNC在发展过程中较易受到机械力环境的影响。这些机械力不仅可以来源于微环境，如细胞外基质刚度静压力，还可来源于拉伸开放科学（资源服务）标识码（OSID）收稿日期 20221205；修回日期 20230403基金项目 天津市临床医学重点学科专项基金（TJYXZDXK-048A）作者简介 孙晓倩，硕士，Email： 通信作者 张军，主任医师，博士，Email： 414第4期孙晓倩，等：机械力环境影响头颈癌生物学行为及作用机制的研究进展力（tension）、压应力（compression）、流体剪切力（fluid shear stress，FSS）等动态的机械力，具体受力情况因组织类型、发育阶段和身体状况不同而存在差异4-5。力学信号可以传导至细胞内转化为生化信号，改变组织细胞微环境并影响其代谢，从而驱动肿瘤发展。近年来，机械力学因素在各种疾病中的作用逐渐成为研究重点，越来越多的研究表明机械力环境在一定程度上影响HNC发展，本文就常见类型的机械力对HNC细胞增殖、侵袭、迁移等生物学行为的影响及其相关机制的研究进展进行综述。1 拉伸力与HNC拉伸力主要存在于与骨、软骨和肌肉相关的肿瘤及实体肿瘤的外围6。头颈部的肌群丰富，包括表情肌、咀嚼肌、舌咽腭喉部肌以及颈部肌，这些肌群在行使功能时会对周围的肿瘤组织带来一定的拉伸刺激。早期的研究者利用镊子或微管吸吮术对细胞施加拉伸刺激，近年来随着制造工艺的发展以及国内外学者对细胞拉伸装置研究的增加5，涌现出众多的商业化拉伸装置，如四点弯曲生物反应器、Flexcell、ElectroForce等7。这些装置主要依据基底变形原理，即用弹性膜作为基底材料，通过机械拉伸或者利用气压、液压或机械接触引起弹性膜形变，使附着于弹性膜的细胞受到拉伸力8，且细胞所受拉伸力因拉伸方向与方式多样而各有不同。目前拉伸形式根据细胞受力方向，可分为单轴、双轴以及等双轴拉伸；根据细胞受力方式，可以分为静态和循环拉伸9-10。有研究11-12利用双轴力学应变系统对腺样囊性癌细胞进行了1 000、4 000 两种强度的拉伸刺激，加载时间为1、3、6 h，频率为0.05 Hz，结果发现：1 h时两种拉伸刺激均可促进细胞增殖；但随着拉伸时间的延长，1 000 拉伸力抑制细胞增殖，4 000 拉伸力对细胞增殖的作用表现为先抑制后促进，表明拉伸刺激影响腺癌细胞增殖。此外，与对照组相比，拉伸组细胞仅在1 000 拉伸6 h时出现E-钙黏蛋白表达量的上升，其余均表现为下降11-12，这表明在一定强度和时间范围内的拉伸力刺激下，腺癌细胞的黏附能力会下降。还有研究者13利用FX-4000系统对舌鳞状细胞癌细胞Tca8113进行方波、三角波和正弦波共3种拉伸刺激（拉伸3 h，幅度为5%、10%，频率为0.5 Hz）时，发现力的作用方式和大小是影响Tca8113细胞增殖的重要因素，其中方波拉伸方式能明显抑制细胞增殖，并提高其凋亡率。当幅度为2%、频率为2 Hz的方波拉伸刺激分别持续4、8、12 h时，可以提高Tca8113细胞的侵袭力及基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-2的表达，且随着拉伸时间的延长，MMP-2的表达量并没有随侵袭力增加而增加14，这说明拉伸刺激可能促进了舌鳞状细胞癌的侵袭和转移，除MMP-2之外，还存在其他的蛋白酶或因子发挥作用。拉伸刺激也可作为癌症早期诊断的一种方式15，如利用微流体光学拉伸器对口腔癌细胞及对应正常细胞进行拉伸刺激并检测其变形量，发现癌细胞与正常细胞之间存在明显差异，具有一定的临床意义16。综上所述，机械拉伸可以影响HNC细胞的侵袭力，影响其增殖与凋亡，但在体内暴露的各种机械力环境中，机械拉伸的研究相对较少，存在一定的局限性，如缺乏细胞的迁移、凋亡等生物学行为与拉伸刺激的时间及强度相关性探究。因此，未来的研究应注重扩大对各种生物学行为的研究，深入探索拉伸力的大小、频率和作用时间与HNC的关系等方面。2 压应力与HNC压应力在机体中普遍存在，而肿瘤细胞的异常增殖能力使其承受的压应力增大。以舌组织为例，正常舌体组织的弹性模量（弹性模量=压应力/压力应变）在0.382.67 kPa之间17-18，而舌鳞状细胞癌组织的弹性模量约为20 kPa19，远远大于正常组织。这种增大的压应力可以通过直接施加在细胞和ECM上或者使血管和淋巴管变形而间接影响肿瘤的发展20。细胞所受压应力主要分为两种情况：ECM刚度带来的静压力以及动态机械负载下的压缩力。目前研究静压力的主要方法是将细胞接种到不同弹性模量的基质胶中观察细胞的生物学行为变化，这种方式既能保证细胞生长所需营养，又可以很好地控制细胞所受压力大小21。Matte等19为研究ECM刚度对舌鳞状细胞癌的影响，将舌鳞状细胞癌细胞CAL27和SCC25接种到刚度为0.48 kPa和20 kPa两种基质胶中进行培养，其结果表明：与软基质相比，当细胞长期暴露于硬基质时，可表 415国际口腔医学杂志 International Journal of Stomatology2023-07 50（4）现出更强的上皮间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）及迁移能力。有研究22-23亦已证实，EMT在头颈鳞状细胞癌的转移过程中发挥着至关重要的作用。此外，针对ECM刚度对口腔鳞状细胞癌干细胞形态和基因表达的影响也有研究，如通过CD44分选出口腔鳞状细胞癌干细胞（CD44+细胞）后，使用8个不同刚度（0.5、1、2、4、8、12、25、50 kPa）的基质胶进行培养，发现CD44+细胞在不同刚度的基质胶中形态各异；与二维培养相比，在0.5、1.0 kPa基质胶中培养的CD44+细胞的E-钙黏蛋白、人上皮特异性抗原和波形蛋白的基因表达水平显著降低；在8、12、25、50 kPa基质胶中培养的CD44+细胞的波形蛋白基因表达水平显著上升，而E-钙黏蛋白、人上皮特异性抗原没有显著变化24。将喉鳞状细胞癌细胞Hep2培养于1、8 kPa两种刚度的聚丙烯酰胺凝胶中，发现Hep2在软基质中表现出更高的化疗耐药性，干细胞相关基因（SOX-2、c-kit、CD133等）表达量升高，SOX-2通过上调ABCG2的表达提高Hep2在软基质上的化疗耐药性；在硬基质中，Hep2则表现出更高的增殖能力，而这种刚度依赖性增殖依靠1-整合素和磷酸化FAK来调节25。关于动态负载压缩的研究多是利用一些压缩装置进行，这些装置包括原子力显微镜、气推微流体细胞压缩装置、可互联动态压缩生物反应器等，这种压缩方式可以精准控制细胞所受压力大小，并且参数调节简单，操作方便。目前各种类型的压缩装置已应用于HNC的体外研究中，并取得了一些研究成果。如侵袭性很强的恶性黑色素瘤虽然病因不明，但目前已发现一些诱发因素，如色素痣长期受外力摩擦、过多的紫外线照射、炎症刺激、机械压迫等。Morikura等26利用三维细胞培养装置对恶性黑色素瘤细胞分别施加8 h和32 h压缩力，结果发现：压缩 8 h的细胞侵袭能力明显增加，而压缩32 h的细胞侵袭能力没有明显变化，针对这种差异文章中没有进一步探索，但是在两组中均观察到F-肌动蛋白丝伸长，表明压应力影响了细胞骨架的重排。由此可见，无论是内源性的ECM刚度带来的静压力还是外源性的动态机械负载压缩下的压应力，不仅影响HNC细胞增殖，还可诱导细胞骨架重排，致使细胞形态发生变化，提高其EMT、侵袭及迁移能力。值得注意的是，压应力在改变HNC细胞生物学行为的同时，也改变了其对化疗药物的敏感性。因此，在对HNC的化疗研发中，可以将压应力考虑进去，建立更能模拟体内环境的药物筛选模型。3 FSS与HNCFSS是指层流中运动层之间的内摩擦力。肿瘤细胞在发展的过程中主要受到由肿瘤组织中的间质流动及血液和淋巴液流动引起的剪切力刺激27。由于头颈部位的血液及淋巴循环丰富，同时血行及淋巴结转移又是HNC主要的转移途径，因此研究流体剪切力对HNC细胞生物学行为的影响至关重要。目前常见的对细胞施加FSS的装置主要有平行平板流动腔、仿生芯片或微流控平台、计算流体动力平台等，在HNC研究中以平行平板流动腔最为多见。研究28-31发现，HNC细胞在710-7 Ncm-2的低FSS作用下可与层粘连蛋白、纤连蛋白、玻连蛋白和透明质酸结合，而它们正是淋巴结实质内的ECM成分。在低FSS作用下，HNC细胞通过21、31和61整合素结合至层粘连蛋白，导致在肿瘤增殖、凋亡、吞噬等方面发挥重要作用的钙信号传导的激活。对SCC25施加510-6、610-5、1.210-4 Ncm-2三种不同大小的FSS（作用时间为12、18、24 h）后，可以通过激活BMPR、Smad 1/5和p38 MARK信号通路诱导SCC25的自噬和凋亡，且随着FSS作用强度的增加和作用时间的延长，自噬和凋亡的细胞占比不断增加，与凋亡蛋白Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9及多腺苷二磷酸核糖聚合酶poly(ADP-ribose)polymerase，PARP表达量的变化一致32。另一研究33对SCC25施加1.210-4 Ncm-2的FSS（作用24、48 h）后，可通过Integrins和Smad使SCC25细胞周期停滞在G2/M期，从而抑制细胞增殖。对Hep2施加1.410-5 Ncm-2的FSS并加载8 h后，细胞形态发生变化，细胞间连接更为紧密；丝状伪足增多，细胞的迁移能力增加；上皮标志物E-钙黏蛋白表达下调而间质标志物N-钙黏蛋白表达升高，诱导Hep2发生了EMT34。通过总结以上研究可以看出，FSS通过细胞周期阻滞抑制HNC细胞增殖，诱导其凋亡和自噬；通过改变其形态，提高其EMT及迁移能力，促进转移，这种作用具有一定的时间依赖性及力学强度相关性。416第4期孙晓倩，等：机械力环境影响头颈癌生物学行为及作用机制的研究进展4 总结与展望目前HNC的治疗方法依然是以外科手术为主、放射和化学治疗（简称放化疗）为辅的综合序列治疗，尽管这种三联疗法日益成熟，但患者的预后仍然不理想，因此需要寻找更为有效的癌症预防和治疗手段。机械力环境在一定程度上改变了HNC细胞的生物学行为，包括诱导细胞骨架重排，促使细胞伪足增加，抑制增殖，促进侵袭与迁移，诱导凋亡与自噬等。在细胞增殖研究方面，不同学者的研究结果存在一定差异，可能与加力装置和方式，加力的大小、频率、持续时间，以及细胞种类等差异有关。由于HNC的多样性和复杂性，有关机械力环境的研究成果虽然日新月异，但依然任重道远。其中有若干问题值得关注和研究：1）目前研究多集中在机械力环境对肿瘤侵袭、迁移能力的影响方面，对于黏附、血管生成甚至放化疗抵抗等方面有待进一步研究；2）目前研究主要集中在体外研究，缺少动物实验等体内水平的研究，可能由于无法模拟体内存在的复杂、动态的真实力学情况所致；3）由机械力环境引起的生物学行为变化的具体机制尚不明确，有待进一步探究；4）肿瘤细胞在发展的过程中受力较为复杂，通常不止单一机械力环境变化，因此应当充分考虑多因素的协同作用。在此基础上，未来开发一种与生理学更加相关的，可以将拉伸力、压应力和流体剪切力相结合的新型装置将会更加有助于肿瘤生物力学研究。利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。5 参考文献1Gupta B,Johnson NW,Kumar N.Global epidemio-logy of head and neck cancers:a continuing cha-llengeJ.Oncology,2016,91(1):13-23.2Chow LQM.Head and neck cancerJ.N Engl J Med,2020,382(1):60-72.3Winkler 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