研究癌症如何生长和扩散通常是在二维、扁平的细胞培养上完成的，这与体内细胞的三维结构非常不同。已经开发了包含组织材料的3D细胞培养物，但一直缺乏测量癌细胞如何利用力量扩散的方法。

现在，研究人员开发了一种新的3D培养方法，可以准确量化癌细胞如何产生力在组织内扩散。“我们已经将这种方法应用于乳腺癌早期进展的调查，”领导这项研究的阿尔托大学首席研究员JuhoPokki说。

这项研究是阿尔托大学和斯坦福大学科学家之间的合作，发表在《纳米快报》杂志上。

纳米球测量累积成更强力的力脉冲

原发性肿瘤可以在乳房的乳腺导管内形成，其中癌细胞被称为基底膜的特殊膜限制。乳腺癌细胞比这些膜上的孔大，因此它们必须突破才能扩散到其他组织。以前，研究人员认为细胞使用酶来溶解细胞膜，但现在人们了解到，乳腺癌细胞使用另一种涉及细胞突起的机制穿过细胞膜。

“在这种机制中，乳腺癌细胞利用突起产生的力在膜材料内打开通道。然后，癌细胞进入周围组织，并可能进一步进入血管，扩散到身体的其他部位。事实上，血管也被基底膜包围。乳腺癌细胞可能使用类似的机制来突破这些基底膜，”Pokki解释说。“斯坦福大学的OvijitChaudhuri教授小组最初在2018年发现了这种突出机制。与他的小组合作一直是这项工作的生理意义的关键，”Pokki说。

一项新技术使用生物显微镜测量癌细胞产生的力，该显微镜检测组织材料内的生物相容性球体。使用有关两种球体类型的信息计算细胞力，一种用于检测纳米级运动，另一种用于测量机械性能。该技术揭示了癌细胞以逐步的方式产生力，并且这些力在组织材料内累积，围绕着乳腺癌肿瘤。图片来源：JuhoPokki/阿尔托大学

这项新研究使用由乳腺癌细胞和标准基底膜材料组成的3D细胞培养物。在3D培养物中，研究人员嵌入了两种类型的生物相容性球体：一种类型随着癌细胞产生的力移动，另一种类型测量力约束力学。改进的荧光显微镜被用来拍摄这些球体的视频并在纳米尺度上跟踪它们。

这使研究人员能够测量来自癌细胞的力脉冲。“之前的研究已经测量了细胞突起在较长时间内的运动，但我们的研究表明，在短短15分钟内就会发生很多事情。我们在几秒钟内看到了纳米级的运动和力脉冲，这令人吃惊。此外，这些脉冲会累积，导致施加在膜材料上的力更强，”Pokki说。

“这是目前测量3D培养中细胞力如何产生的最准确的方法，”Pokki补充道。

迈向更高效和个性化的药物开发

乳腺癌是全球女性最常见的癌症形式。每年，仅在欧盟就有超过350,000名女性被诊断出患有乳腺癌。

开发针对乳腺癌的药物成本高、速度慢且通常效率低下，因为使用2D细胞培养和动物实验选择的候选药物中只有不到5%被证明在人体临床试验中有效。

“我们的方法提供了关于乳腺癌细胞侵袭过程中细胞力的更准确的计算数据。我们小组将这些方法与显微镜技术相结合，使3D细胞培养领域的实验更具可重复性。我相信技术发展最终将推动临床前研究.我们已经在个性化癌症医学领域启动了一个相关项目，”Pokki透露。