为了使癌细胞转移，它们必须首先摆脱肿瘤自身的防御。大多数肿瘤被包裹在一层保护性的“基底”膜中，这是一层薄而柔韧的膜，当癌细胞生长和分裂时，它将癌细胞固定在原位。在扩散到身体其他部位之前，这些细胞必须突破基底膜，而这种物质本身一直是科学家难以确定的特征。

现在麻省理工学院的工程师们发现看似像塑料薄膜一样坚韧的涂层却出人意料地像派对气球一样富有弹性，能够膨胀到原来的两倍大小。

但是，尽管气球在经过一些初步的努力后变得更容易爆炸，研究小组发现，随着膨胀，基底膜变得更硬。

这种坚硬而富有弹性的特性可能有助于基底膜控制肿瘤的生长。细胞膜在扩张时会变硬这一事实表明，至少在一定程度上，细胞膜可能会抑制肿瘤的生长和扩散或转移的可能性。

这项研究结果发表在本周的《pNAS》上，可能为预防肿瘤转移开辟一条新途径，而肿瘤转移是癌症相关死亡的最常见原因。

该研究的主要作者、麻省理工学院机械工程副教授Ming Guo说：“现在我们可以想办法添加新材料或药物，进一步增强这种硬化效果，并增加膜的韧性，防止癌细胞突破。”

这项研究的合著者包括北京师范大学的第一作者Hui Li、加州大学圣迭戈分校的Yue Zheng和Shengqiang Cai，以及麻省理工学院的博士后Yu Long Han。

基底膜不仅包裹着癌细胞的生长，也包裹着健康的组织和器官。这种薄膜是头发厚度的一小部分，它是一种物理支撑物，能将组织和器官固定在适当的位置，帮助塑造它们的几何形状，同时还能保持它们的独立性和独特性。

Guo的小组专门研究细胞力学，重点研究癌细胞的行为和促使肿瘤转移的过程。研究人员一直在研究这些细胞在体内迁移时是如何与周围环境相互作用的。

“我们意识到的一个关键问题还没有得到足够的重视，肿瘤周围的膜究竟是干什么的？”Guo说。“为了出去，细胞必须打破这一层。就材料特性而言，这一层是什么？这是细胞必须非常努力才能打破的东西吗？这就是促使我们研究基底膜的原因。”

为了测量膜的性能，科学家们采用了原子力显微镜（AFM），用一个微小的机械探针轻轻地推动膜的表面。使表面变形所需的力可以让研究人员了解材料的阻力或弹性。但是，由于基底膜非常薄，很难从下面的组织中分离出来，Guo说，通过原子力显微镜的测量很难知道除了下面的组织外基底膜的电阻是多少。

于是，研究小组使用了一种类似于吹气球的简单技术来隔离薄膜并测量其弹性。他们首先培养了人乳腺癌细胞，这些细胞自然分泌蛋白质，在肿瘤球体的细胞群周围形成一层膜。他们长出了几个大小不一的球体，并在每个肿瘤中插入一个玻璃微针。以可控的压力向肿瘤注入液体，使细胞膜脱离细胞，像气球一样膨胀。

研究人员施加各种恒压使膜膨胀，直到达到稳定状态，或者不再膨胀，然后关闭压力。

“这是一个非常简单的实验，可以告诉你一些事情，”Guo说。“一是，当你注入压力使气球膨胀时，它会比原来的尺寸大很多。一旦释放压力，它就会逐渐收缩，这是弹性材料的经典行为，类似于橡胶气球。”

当他们给每个球体充气时，研究人员观察到，虽然基底膜充放气的能力表明它通常像气球一样有弹性，但这种行为的更具体细节却有着惊人的不同。

引爆乳胶气球通常需要大量的努力和压力才能启动。一旦开始膨胀，气球就会突然变得更容易爆炸。

“一般来说，一旦气球的半径增加了38%，你就不需要再用力吹了——只要保持压力，气球就会急剧膨胀，”Guo说。

这种现象被称为穿透不稳定性，出现在由线弹性材料制成的气球中，这意味着它们的固有弹性或刚度不会随着变形或膨胀而改变。

但根据他们的测量结果，研究人员发现基底膜反而变得更硬，或者在膨胀时更具抵抗力，这表明这种材料具有非线性弹性，并且能够在变形时改变其刚度。

“如果突然发生不稳定，肿瘤就会变成一场灾难——它只会爆炸，”Guo说。“但在我们的测试下，它没有。这对我来说表明，基底膜提供了一个生长的控制。”

研究小组计划测量细胞膜在癌症发展的不同阶段的特性，以及它在健康组织和器官周围的行为。他们也在探索改变细胞膜弹性的方法，看看让它变硬是否能阻止癌细胞突破。

“我们正在积极跟进如何修改这些膜的力学机制，并在乳腺癌模型上应用扰动，看看我们是否能延缓它们的侵袭或转移，Guo说。“这类似于制作一个更硬的气球，我们计划尝试。”

原文检索：Nonlinear elasticity of biological basement membrane revealed by rapid inflation and deflation

（生物通：伍松）