腫瘤轉移是導致癌症相關死亡的主要原因。為了轉移到身體其他部位，腫瘤細胞必須首先突破腫瘤外側包裹的一層保護性屏障——基底膜（basement membrane）。基底膜是一層由蛋白和多糖構成的纖維狀細胞外基質，廣泛存在於各種組織或器官的外側，起到維持組織形態、分隔不同組織的功能。腫瘤的外側也同樣有一層基底膜，一旦腫瘤細胞惡變，這層膜結構會被細胞突破並開始侵襲轉移。囙此，基底膜結構的完整性成為了臨床上判斷腫瘤是否發生惡變、轉移的關鍵依據之一。然而，由於基底膜厚度不足1微米且與腫瘤細胞緊密連接，導致實驗體系十分複雜，借助傳統量測手段難以在原位表徵腫瘤外側基底膜的物理特性，長期以來無法瞭解其對腫瘤侵襲擴散的影響機制。
近日，北京師範大學系統科學學院李輝教授，與美國麻省理工學院的郭明教授和博士後韓玉龍，加州大學聖地牙哥分校的蔡盛强教授和博士生鄭悅，通過實驗與理論密切合作，首次揭示了基底膜的非線性硬化效應及其對腫瘤侵襲的約束作用。該工作以“Nonlinear elasticity of biological basement membrane revealed by rapid inflation and deflation”為題發表在2021年3月16日的美國科學院院刊PNAS。李輝、郭明和蔡盛强為共同通訊作者，李輝和鄭悅為共同第一作者。北京師範大學系統科學學院為文章的第一完成單位。
文章發表後，美國科學促進會EurekAlert！、麻省理工學院MIT News及美國ScienceDaily等科學新聞網站以“Membrane around tumors may be key to preventing metastasis”為題進行了報導、轉載，評估該工作開創了一種預防腫瘤轉移的新途徑（open a new route toward preventing tumor metastasis）。
為了研究基底膜，研究團隊提出一種原位量測基底膜物理特性的新型便捷方法。通過顯微注射裝置將玻璃微針插入腫瘤細胞球，在受控壓力下向腫瘤注入PBS緩衝液，使基底膜從腫瘤細胞上脫離並像氣球一樣膨脹，當關閉壓力後，基底膜逐漸收縮恢復至初始狀態，然後由上述基底膜的應力應變動態過程可直接確定它的彈性和滲透性。研究發現，基底膜儘管表現出類似氣球的彈性行為，其物理特性卻截然不同。對於線性彈性資料製作的氣球，其固有的彈性模量不會隨著形變而改變，但是球壁卻隨著膨脹逐漸變薄，發生軟化。特別是當氣球膨脹超38%後，只需保持壓力，氣球便迅速膨脹直至破裂，該現象稱之為snap-throughinstability。與此不同的是，基底膜隨著膨脹不會變軟，反而產生了顯著的非線性硬化效應，施加的壓力隨著基底膜的膨脹需要不斷增大，這種應變硬化的特性可以在物理上約束腫瘤的增殖和侵襲行為。
該研究揭示的腫瘤外側基底膜的非線性硬化特性，有助於理解體內腫瘤生長和侵襲的物理環境約束機制，為發展抑制和治療癌症的新策略提供了基礎理論支撐。未來或可通過新材料或藥物進一步增強基底膜的硬化效應並新增其韌性，以封锁腫瘤細胞突破，遏制腫瘤轉移，得到了國家自然科學基金的支持（1187441512074043）。
快速“膨脹-收縮”原位量測基底膜物理特性的方法
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