发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的这一发现，是了解和预防癌症转移的关键一步。癌症转移是疾病的内部传播，导致95%的癌症死亡。

领导这项研究的俄亥俄州立大学生物物理学家孙波说:“经过数十亿年的进化，细胞已经学会了许多不同的迁移方式。”“在正常发育和维持健康的生理过程中，如伤口愈合，需要时执行特定的迁移程序。然而，在肿瘤的情况下，这些迁移程序被癌细胞利用来维持它们对组织的入侵。”

孙博士解释说，癌细胞改变形状和移动模式的程度对癌症患者的预后起着巨大的作用。

他说:“许多针对细胞特定移动方式的癌症疗法，在很大程度上无法阻止肿瘤转移，因为细胞转移到另一个可用的迁移程序。”

Sun和他在俄勒冈州立大学科学与工程学院的合作者使用了一种被称为计算机视觉的人工智能，根据细胞的形状跟踪细胞的迁移程序;计算机视觉从数字照片、视频和其他视觉输入获取信息。在这项研究中，科学家们观察了MDA-MB-23细胞，这是一种高侵袭性乳腺癌细胞，常用于医学研究。孙将细胞形状分析比作根据游泳者的身体姿势和动作来判断游泳者是在做仰泳、蛙泳还是蝶泳。

“细胞形状是由细胞功能决定的，特征形状的丧失与功能异常有关，”孙说。“这就是为什么形状特征一直是诊断癌症以及其他疾病(如红细胞疾病或神经系统疾病)的重要工具。”

他说，研究结果表明，癌细胞改变其迁移模式的频率远比之前认为的要高。

“虽然我们在研究的乳腺癌细胞中看到的不断转换不一定会使它们在特定类型的组织中的速度最大化，但它允许细胞入侵异质组织环境，”孙说。

研究人员指出，在转移过程中，迁移的癌细胞必须通过具有不同力学特性的细胞外基质。

细胞外基质(ECM)是组织和器官的非细胞部分。由于其生物活性分子的多样性，它作为一个支架，执行一系列重要的生化和生物力学工作。

科学家们使用的机器学习和可视化技术表明，细胞的形状变化是由分子控制中心Rho/ rock信号调节的，细胞利用Rho/ rock信号感知其物理环境并产生运动所需的力。

科学家们利用代表两层机械上截然不同的细胞外基质的模型，发现当细胞接近和穿过两层基质的界面时，它们的形状和运动程序逐渐改变。这表明，这些转变对癌细胞转移是必不可少的，这需要非均匀ECM的导航。

“细胞形态变化的方式——形态动力学——是决定其入侵潜力的关键因素，据我们所知，这在很大程度上尚未被研究，癌细胞迁移的形态动力学正在成为检查细胞内部状态和微环境的强大工具。未来的研究需要将形态动力学解码为丰富和可理解的细胞身体语言，并影响形态动力学作为控制细胞行为的手段。”

Journal Reference:

Christopher Z. Eddy, Helena Raposo, Aayushi Manchanda, Ryan Wong, Fuxin Li, Bo Sun. Morphodynamics facilitate cancer cells to navigate 3D extracellular matrix. Scientific Reports, 2021; 11 (1) DOI: 10.1038/s41598-021-99902-9