多年來，腫瘤和炎症研究一直局限在生物學領域。近期德國萊比錫大學生物物理系的Mierke教授從力學角度為我們介紹了腫瘤和炎症發展的具體過程，該文章近期在線發表在Reports on progress in physics雜誌上。
關於細胞力學特性（mechanical properties）在腫瘤和炎症發生過程中所起的作用目前仍處於研究之中，腫瘤學綜述或免疫學綜述也經常忽略這一點。特別是，目前腫瘤的八大「經典」特徵已經公布於世，卻遲遲不見腫瘤發生發展背後的那個巨大推動者-細胞力學特性。
為了更好地定義腫瘤惡性轉化、更徹底地研究腫瘤發生發展背後的功能性通路，十分有必要將腫瘤細胞、細胞外基質等微環境、成纖維細胞、巨噬細胞或內皮細胞等嵌入式細胞的力學特性納入腫瘤經典特徵。
為此，該文將從生物物理學視角綜述當前的腫瘤研究現狀，並詳細介紹用於腫瘤細胞侵襲和炎症發展的物理學和生物物理學研究方法。由於腫瘤細胞或免疫細胞通常限定在一個特定的微環境，例如細胞外基質，微環境變化可能影響腫瘤細胞或免疫細胞的力學特性，所以微環境的力學特性同樣不能忽略。
該文主要探討實驗性或理論性的生物物理學（biophysical）途徑對腫瘤和炎症經典標誌的影響。此外，還探討了這些生物物理學途徑是如何通過物理學傳感系統調控腫瘤與組織損傷後炎症反應的。
常見的物理信號可以轉導成為生物化學信號，後者可以調控一系列細胞反應，例如上皮間質轉化後的惡性腫瘤發生、組織損傷後的炎症反應。此外，細胞對力學改變的適應是腫瘤發生和損傷後炎症反應的重要一步，例如細胞侵襲過程中的機制-偶聯（mechano-coupling）和機制-調控（mechano-regulating）功能。
這可能會為研究腫瘤疾病和炎症疾病提供新視角，革新大家對腫瘤和炎症的傳統看法。此外，該文還討論了如何藉助腫瘤和炎症力學揭露腫瘤細胞侵入結締組織並在其中遷移、以及白細胞從脈管中滲出（extravasate）和侵入組織的秘密。
該文將對腫瘤發展和炎症發生的物理學概念進行闡述，其中包括腫瘤細胞如何穿越組織基底膜、如何侵襲和進行跨內皮性轉移（transendothelial migration），以及對外部壓力和細胞外基質強度等微環境的反應。總之，這篇文章重點介紹了如何藉助物理學方法改進傳統的腫瘤和炎症疾病研究方法，以及如何將物理學觀念融入經典的腫瘤生物學研究方法中。
1. 前言
在過去25年裡，腫瘤學方面的科學家已經對經典腫瘤生物學的多個領域進行了研究。因此，為了更詳細更準確地描述腫瘤發生發展過程，在2000年腫瘤的六大「經典」特徵公布於世，其中包括無限增殖的信號、生長抑制規避、侵襲和轉移激活、無限增殖能力、誘導血管新生和抗細胞死亡。
一個具有癌變潛力的細胞具有哪些潛質才能夢想成真？腫瘤的六大「經典」特徵完全可以回答這個問題，但它並不適用於所有類型的腫瘤。11年後，腫瘤的「經典」特徵又引入了兩個新成員，異常代謝通路和免疫系統規避。最新的兩個特徵從側面強調了免疫系統在惡性腫瘤發展中的重要性。
研究發現，α6β4、αvβ3、αvβ5、α5β1、E-cadherin、Notch1-4受體、CXCR2和CXCR4等分子參與了腫瘤細胞的轉移和侵襲過程，它們在腫瘤疾病的發生發展中起了重要作用。這些新的發現主要得益於基因組學和蛋白質組學等新型的分子或生物化學方法，但是這些新方法並沒有從根本上改變腫瘤治療的臨床結果。
雖然這些基於生物技術的研究方法並沒有達到預期目標，但是它們已經為研究腫瘤生物學、腫瘤診斷和預後提供了新視角新思路。特別是，關於腫瘤分類學、特定類型腫瘤的標記蛋白、特定腫瘤類型的基因繪圖工作已經正式啟動。不過，這些新方法同樣存在弊端，主要在於基因和蛋白質的表達水平可能會隨腫瘤的發展和分期發生變化。
因此，目前仍不確定這些分子是如何促進或調控腫瘤發展的。更具體地說，基於基因組學和蛋白組學的分析方法根本無法確定蛋白質在脂筏（lipid rafts）等結構上的空間位置、激活和組裝狀態、生存期、周轉率（turnover rate）、修飾率（modification rate）和回收率（recycling rate）。
由於當前的生物學和生物化學方法尚不能闡釋腫瘤疾病的複雜性，特別是無法為研究腫瘤發展提供新思路，因此癌症研究領域已經引入了腫瘤研究相關物理學方法和新型生物物理方法。直到現在，這些基於物理學的腫瘤研究研究方法已經徹底改變了腫瘤學研究，革新了大家對腫瘤疾病傳統的生物學和生物化學認識。
由於腫瘤疾病一般與炎症反應相關，所以視角改變的切入點應該放在炎症性疾病上。在這裡，主要針對於腫瘤相關的炎症反應或組織損傷後的炎症反應。除了實體腫瘤外，還將白血病與上皮來源的腫瘤細胞納入了對比分析。
由於目前仍未將腫瘤細胞的力學特性納入「經典」特徵，所以本文將著重探討腫瘤細胞、細胞外基質等微環境、上皮細胞、腫瘤相關巨噬細胞和成纖維細胞的力學特性對腫瘤發展的影響。一切將會從物理學視角進行闡述，請先撇開那腫瘤經典的八大特徵觀點。
2. 細胞跨膜轉移和侵襲的生物學背景概述
腫瘤的良性和惡性判斷有幾個參數，這些參數受腫瘤微環境條件的影響和調控。因此，目前仍不能成功確定這幾個參數，甚至沒有初步的答案，因為太多的參數還沒有發現或者參數的調控機制還沒搞清。腫瘤的惡性發展包括腫瘤轉移過程，這是腫瘤發病時的最嚴重情況，因為腫瘤轉移是腫瘤患者死亡的主要原因。
圖1.侵襲性腫瘤細胞亞群出現的第一步。侵襲性腫瘤細胞失去細胞-細胞間粘附，從原發性腫瘤遷移出來，跨越基底膜進入結締組織微環境。
腫瘤轉移是一個複雜的連續的過程，每一步都受到精確的調控。腫瘤轉移過程一般始於原發性腫瘤，在那裡腫瘤細胞獲得一些特殊的 「技能」，例如可以弱化細胞-細胞間的粘附作用、重塑細胞-細胞外基質間的粘附作用、獲得高度轉移表型、穿透原發性腫瘤的基底細胞層和基底膜、侵襲進入腫瘤微環境（如圖1所示）。
微環境可以改變細胞形成突出物（protrusion）的能力，研究發現基底膜破壞有助於腫瘤細胞與膠原蛋白I直接結合，從而促進腫瘤細胞的侵襲和擴散。腫瘤轉移過程始於原發性腫瘤的腫瘤細胞擴散，腫瘤細胞以特定方式遷移進入局部腫瘤微環境，這種特定方式可能與這些腫瘤細胞的基因學和分子學參數相關。
圖2. 腫瘤細胞轉移中的血管外滲過程（transendothelial migration）。侵襲性腫瘤細胞經基底膜、內皮血管或淋巴管內壁的細胞間隙外滲。隨後，腫瘤細胞在血管管道中隨血流到達可以形成第二個腫瘤的靶位點。這些靶位點可能是內皮血管或淋巴管的內壁，侵襲性腫瘤細胞也可能從內皮性血管或基底膜中滲出以便入侵結締組織。
這些侵襲性的腫瘤細胞亞群跨膜進入血管或淋巴管（血管內滲，intravasation），隨血流到達靶組織，粘附到血管內壁上，腫瘤細胞在血管內壁增殖生長並形成血管內腫瘤，腫瘤細胞也可能跨越內皮性血管進入結締組織的細胞外基質（血管外滲，extravasation）。
腫瘤細胞到達靶組織區域後，遷移進入靶組織，生長形成為第二個腫瘤，這就是所謂的腫瘤轉移（如圖2所示）。此外，腫瘤細胞還可能在轉移途中「掉隊」，形成所謂休眠腫瘤細胞（dormant cancer cells）。特別是，循環性腫瘤細胞可以通過與內皮血管內壁的糖蛋白作用，調控腫瘤細胞應對血流剪切力時的粘附作用。
腫瘤細胞是如何成功從原發性腫瘤「越獄」出來的，目前仍在研究之中。此外，原發性腫瘤中那些非轉移性的腫瘤細胞到底具有什麼功能？如果說某種特定類型腫瘤轉移的靶組織是確定的，這完全是胡猜。因為這種說法的理論依據是原發性腫瘤中的惡性腫瘤細胞往往會選擇一些生物兼容性較好的區域作為靶組織。
不過，這個假設至今仍無法通過實驗手段驗證。目前尚不清楚轉移性腫瘤細胞是如何找到血管或淋巴管的。然而，有研究報導腫瘤細胞可能循著內皮性細胞釋放物質（例如趨化因子、細胞因子、以及內皮細胞纖連蛋白等細胞外基質蛋白）的濃度梯度尋找內皮性細胞。
儘管目前已經發現了幾種腫瘤血管相關的生物標記分子，但是這些標記分子並不是所有類型腫瘤細胞的共用分子。目前尚不清楚巨噬細胞和T淋巴細胞等免疫調控細胞在原發性腫瘤中具體起了什麼作用。
2.1 實體瘤源腫瘤細胞的物理學侵襲策略
腫瘤細胞的侵襲性與細胞的分子、生物化學和生物物理學特性密切相關，它們賦予腫瘤細胞穿越緻密細胞外基質網絡的能力。腫瘤細胞侵襲的先決條件似乎取決於侵襲轉移實驗的維度（2D二維或3D三維）。
然而，上皮起源的腫瘤細胞侵入結締組織3D細胞外基質的能力並不是一個簡單的參數就能決定的；相反，腫瘤細胞的侵襲能力主要取決於可以調控其在3D細胞外基質侵襲速度的特定生物化學和物理學參數的平衡。
圖3. 腫瘤細胞運動的三維（3D）示意圖。腫瘤細胞侵入一個3D微環境至少需要4個細胞物理學特徵的平衡，這種平衡有助於腫瘤細胞侵襲進入緻密的細胞外基質網絡。4個主要的物理學參數主要是有：（1）細胞粘附和解粘附動力學；（2）細胞骨架重塑動力學、細胞易變性和細胞剛度；（3）細胞外基底蛋白介導的基底膜重塑和基底膜消化酶介導的基底膜降解；（4）突出力（回縮力）的產生和傳遞。
所謂的平衡參數實際就是高度侵襲性腫瘤細胞的特點，例如：（1）細胞粘附動力學和解粘附動力學（黏著斑的周轉率、粘附力）；（2）細胞骨架重塑動力學、細胞易變性和細胞剛度；（3）細胞外基質蛋白介導的基底膜重塑和細胞外基質消化酶介導的基底膜降解；（4）突出力（protrusive或回縮力contractile）的產生和傳遞（如圖3所示）。很明顯，拿出其中的一個參數進行單獨分析並不現實；只有綜合所有參數才能合理的解釋其中某個參數對細胞侵襲和血管外滲的影響。
總之，這些侵襲-調控相關參數間的平衡直接決定了腫瘤細胞的侵襲效率、細胞侵襲速度和3D細胞外基質的侵入深度。隨著腫瘤細胞類型的變化，這些侵襲決定性的參數可能會發生變化，但是所有參數還是決定腫瘤細胞侵襲和侵襲速率的重要因素。
對內皮起源的腫瘤細胞來說，這些物理學參數間平衡的破壞很可能「開啟」上皮細胞的侵襲模式，隨之發生間質性轉移或是細胞變形轉移。目前這種可逆轉的轉變已經得到驗證，但是並不確定這種轉變是否適用於所有類型腫瘤。總之，細胞的生物化學和生物物理學參數決定了腫瘤細胞的侵襲模式。
不過，目前尚不清楚腫瘤細胞是維持這些參數平衡的機制。生長因子、細胞因子、趨化因子，基質蛋白的成分、結構和濃度，以及基質的物理學剛性等微環境在此過程中到底發揮了什麼作用，仍需要深入的研究。目前有兩種不同的作用機制正處於研究之中。
第一種機制是通過分泌基質金屬蛋白酶（MMPs）降解緻密的3D細胞外基質，從而有助於腫瘤細胞發生轉移。因此，侵襲性腫瘤細胞可以破壞和克服3D細胞外基質所帶來的空間位阻。第二種機制是腫瘤細胞通過分泌ADAM-10和ADAM-17等脫落酶切斷細胞-細胞間的NOTCH受體、ephrins 和E-cadherins等粘附因子。
然而，細胞-細胞間粘附力的降低會觸發信號轉導，上調 β-catenin等細胞-細胞粘附蛋白的核轉錄（涉及一種轉錄因子LEF1/TCF4）和細胞運動相關基因的表達，最終升高腫瘤細胞的侵襲能力。細胞-細胞間粘附相關蛋白質的酶促降解同樣會改變細胞間的粘附作用，隨之改變細胞剛性（stiffness）或細胞骨架重塑動力學等物理學特性。
此外，脫落酶ADAM-17可以水解腫瘤細胞表面的pro-TNF-α分子，TNF-α釋放並進入腫瘤微環境。釋放的TNF-α可能會激活毗鄰的內皮細胞，從而促進腫瘤細胞的侵入。
除了細胞膜受體脫落外，其他的物理學參數同樣可以參與調控腫瘤細胞向緻密3D細胞外基質的侵襲速度和侵入深度，這是高度侵襲性腫瘤細胞形成和傳遞收縮力（contractile forces）的物理學特性。然而，目前仍不能對3D膠原蛋白或纖維蛋白基質中的收縮力進行生物物理學測量。
特別是，可以用記錄性聚焦顯微鏡和3D細胞追蹤程序分析腫瘤細胞的侵襲能力。因此，可以將基質嵌入性玻璃珠（matrix embedded beads）作為腫瘤細胞位移的標記。然而，其他藉助膠原纖維結構的方法會受到侵襲性腫瘤細胞的施力的影響。總之，追蹤膠原纖維的方法更為可靠，也更為複雜。
此外，相比玻璃珠，將膠原纖維作為標記更加適合分析，因為吞噬或消化作用近乎消失，此時相比數量巨大的鑲嵌性玻璃珠標記，僅有少量的膠原纖維發生降解。此外，玻璃珠內化（internalization）也會影響腫瘤細胞剛性等物理學特性，隨之降低高度侵襲性腫瘤細胞侵襲3D細胞外基質的能力。
2.2 白血病或成纖維細胞源腫瘤細胞的物理學侵襲策略
儘管關於細胞遷移的開放性問題很多，但是仍可以通過設計一種可靠的概念性支架來研究片狀偽足（lamellipodium）是如何支持細胞運動的。特別是，前緣細胞膜下肌動蛋白細絲聚合可以產生突出物形成所需要的推力（pushing force，突出力protrusion force）。
細胞膜的表面張力可以抵消肌動蛋白網的順行擴張力（anterograde expansion，向外），因此肌動蛋白細絲被推回到細胞質中，這是一種逆行（retrograde，向內）的肌動蛋白流（如圖4所示）。
圖4. 物理學侵襲策略。發生遷移的細胞在遷移方向上有一種片狀偽足（lamellipodium，2D）或侵襲小體（invadopodium，3D）結構和一個片狀（lamella）結構。片狀（lamella）結構在片狀偽足的底部，兩者之間隔著片狀偽足基底（lamellipodium base）。片狀偽足前緣的肌動蛋白應力纖維聚集，產生一種向細胞膜外部的突出力（向外），這種力推動著細胞向前移動。由於順行擴張（anterograde expansion）的存在，肌動蛋白微絲以 「逆行流（retrograde flow）」的形式被推回到細胞質中（向內）。
說得更具體一些，細胞-細胞外基質間的粘附受體（例如整合素）可以通過黏著斑（focal adhesions）將細胞骨架固定到細胞外基質上，以保證將逆行力轉化為遷移方向的細胞外延運動能力，逆行力主要由肌動蛋白收縮產生。
綜上所述，一個基本的力學概念產生了，片狀偽足是由肌動蛋白聚合形成，它有助於細胞膜的突出物（protrusion）形成。此外，除了片狀偽足所提供的外延力外，突出物如果要形成絲狀偽足（filopodia）還需要細胞自身的能動性和侵襲小體（invadosomes）。
除了肌動蛋白的外突力外，細胞膜起泡（membrane blebbing）也是一種細胞遷移方式。這些泡狀物是前緣細胞的延伸而不是肌動蛋白細絲的聚集物。此外，細胞內肌動球蛋白收縮所產生的靜水壓力（hydrostatic pressure）可以破壞肌動蛋白骨架和細胞膜之間由肌動蛋白皮質和/或粘著斑蛋白所介導的連接。
細胞膜一旦失去對細胞外基質的錨定力，細胞內的壓力就會促使細胞膜形成泡狀物，它會生長直到一個新的肌動蛋白皮層重組完成，然後不斷地重複這個泡狀物形成過程。總之，細胞膜起泡是細胞運動的一種生理運動策略，在此期間細胞可以通過直接和持久運動的方式進行遷移。
此外，細胞膜起泡可以改變細胞膜的張力（tension），以及整個細胞的力學特性。在組織和細胞培養物中，由於細胞外環境受到遺傳性改變或藥理學藥物的影響，不同的細胞可以在細胞膜起泡-驅動性運動和肌動蛋白聚合-驅動性運動中不斷切換。
如果要分析細胞膜起泡模式遷移和片狀偽足模式遷移的差別，至少需要考慮三個特殊因素，例如細胞-細胞外基質間的粘附作用、細胞外基質的幾何結構、細胞前緣和後緣間的信號傳導。細胞膜起泡遷移模式和片狀偽足遷移模式都與細胞-細胞或細胞-細胞外基質間粘附作用的穩定性相關。
雖然快速-遷移的變性細胞（例如免疫細胞等）可以通過細胞膜起泡方式和片狀偽足方式遷移，但是對它們來說，粘附作用的穩定性和生理學意義似乎沒有那麼重要。在片狀偽足模式中，間充質的運動十分緩慢，這完全依賴於局部細胞-細胞外基質的粘連作用。
細胞外微環境的維度可以顯著影響細胞的運動能力，有證據表明：細胞在2 D和3D微環境中可以經多種方式進行遷移。然而，在細胞粘附力很小和粘附強度降低的情況下，細胞可以在3D微環境中遷移卻不能在2D微環境中遷移。
目前尚不清楚細胞極性是如何調控細胞在2D和3D微環境中的運動能力，以及細胞極性是否與外突物的類型相關。近期研究發現，Rac-1、Cdc42、RhoA等多種Rho GTPases（Rho家族鳥苷三磷酸酶）是細胞遷移的主要調控蛋白。
Rac-1是片狀偽足延伸所必需的，它可以激活WAVE複合物，隨後通過Arp2/3複合物加速肌動蛋白的聚結。此外，Cdc42可以激活Arp2/3複合物和成蛋白（formins），從而促進絲狀偽足和侵襲小體組裝過程中肌動蛋白的聚集。RhoA可以通過調控肌球蛋白II（myosin II）和成蛋白（formins）直接改變肌動球蛋白收縮性。
總之，Rho GTPases在突出物-驅動型遷移中起了重要作用，不過這種作用受細胞類型、特定微環境的影響。最後，肌動蛋白聚集、肌動球蛋白收縮性和細胞-細胞外基質間粘附作用之間的偶聯作用可以影響Rho GTPases的作用，從而輔助細胞感知周圍的生物化學和力學微環境。
此外，Rho GTPases還有助於遷移模式中的細胞適應周圍環境的幾何結構、化學組成和力學特性。
近期，有研究報導腫瘤細胞以形成圓柱-樣葉狀偽足（lobopodia）的形式進行遷移，而且其突出物的末端還分布著大量的小泡，這似乎是一種介於細胞膜起泡模式和片狀偽足模式間的第三種侵襲模式。細胞在2D遷移系統中會形成片狀偽足，一旦接種到3D膠原凝膠中（非交聯型牛膠原），這些細胞就會形成侵襲小體（invadopodia）。
然而，膠原一旦交聯，細胞就會以葉狀偽足的形式進行遷移，因為細胞可以感知周圍環境的力學特性（例如基質膠的彈性）。3D基質膠的剛性較差，這有利於細胞形成葉狀偽足，反之肌動球蛋白收縮可能會激活細胞的變性遷移模式（deforming migration mode），細胞通過收縮穿過基質膠的小孔（如圖5所示）。
圖 5. 細胞在2D和3D微環境中的3種不同遷移模式。在2D遷移系統中，腫瘤細胞和免疫細胞經細胞膜起泡模式和片狀偽足模式進行遷移。在3D遷移系統中，腫瘤細胞和免疫細胞經以片狀偽足遷移模式（lamellipodial migration mode）、細胞膜球泡遷移模式（blebbing migration mode）和柱形葉狀偽足遷移模式（cylindrical-shaped lobopodial migration mode）進行遷移。遷移細胞的畸形極性分化和移動速度取決於細胞採取何種遷移模式。
然而，這個結果表明影響葉狀偽足遷移模式的關鍵因素可能不是微環境的剛性，而是應力-應變曲線（stress–strain curve）的形狀。因為細胞在線性彈性（linear elasticity）微環境（例如皮膚和細胞-提取物基質膠）中只能形成葉狀偽足，相反，細胞在非交聯型3D膠原基質膠中主要形成片狀偽足。
細胞的功能性極性如何調控細胞遷移方向，這是一個亟待解決的問題。細胞是如何感知線性彈性的，如何將線性彈性與應變剛性區分？細胞外的蛋白水解作用是否與葉狀偽足模式遷移相關？在葉狀偽足模式遷移過程中，細胞是否會通過分泌細胞外基質蛋白重塑它們的細胞外微環境？成纖維細胞是否也採用葉狀偽足模式進行遷移？
與上皮起源的腫瘤細胞相比，白細胞顯得特別異類。因為白細胞散布在人體的全身，它們具有入侵任何組織的能力。白細胞的這個行為是炎症反應所必需的。這些浸潤性白細胞（infiltrating leukocytes）在跨越組織分界時並沒有特定的遷移方式。
相反，與間充質和上皮細胞的遷移速度相比，白細胞在進行單細胞遷移時的速度是它們的100倍。白細胞為何能以如此快的速度在組織中移動？白細胞如何以變形蟲模式遷移，並進行頻繁的形狀改變？與間充質細胞的遷移模式相比，變形蟲模式遷移是否具有更快的速度？
的確，有研究報導粘附依賴性遷移（adhesion-independent migration）的驅動力主要來自於細胞前緣肌動蛋白網絡的外突，並受細胞後緣肌動球蛋白收縮所帶來擠壓力的影響，以便推動剛性的細胞核穿過基質膠的小孔。
3. 腫瘤疾病發展的一般規律
腫瘤疾病發生發展過程中的第一大特點是，原發性腫瘤生長到一定體積後，如果要繼續生長就需要血液供給。由於腫瘤組織中的血管數量很少、結構不成熟，腫瘤組織通常是缺氧缺血狀態。這種缺氧微環境會影響腫瘤細胞的基因表達，隨之改變腫瘤細胞的力學特性。
此外，這種缺血缺氧微環境有利於腫瘤的發生發展，因為這種環境會「淘汰」掉一部分細胞，「倖存」下來的腫瘤細胞具有更高的惡性程度和侵襲性，它們可以轉移到其他部位的靶組織。近期研究報導，這種缺血缺氧微環境會促進腫瘤的發展以及對抗腫瘤治療的耐藥性。
傳統的抗血管治療策略旨在減少腫瘤的血液供給，但是這種治療策略並沒有達到預期效果，因為療效十分有限、而且很容易出現耐藥性。相反，臨床證據表明：腫瘤血管的正常化會提升抗腫瘤治療策略的療效。腫瘤細胞進入血液系統是腫瘤轉移過程的關鍵一步，因為腫瘤細胞一旦進入血管就可以很輕鬆地隨著血流到達靶組織。
更重要的一點是，腫瘤血管是異質性的，有些可以模擬內皮性細胞功能的腫瘤細胞「潛伏」在血管內壁，它們很可能會「叛變」。問題的關鍵在於，腫瘤是不是只有在生長到足夠大體積後才會「釋放」高度侵襲性的腫瘤細胞，這些腫瘤細胞隨後可以在其他位置形成轉移瘤。
腫瘤發生發展過程中的第二大特點是，高度侵襲性腫瘤細胞如何 「擺脫」原發性腫瘤進入腫瘤微環境。這些高度侵襲性腫瘤細胞的力學特性發生了改變，這種改變有助於它們侵襲進入腫瘤微環境。Notch-1激活與人類惡性腫瘤（例如胰腺癌，它的致死率極高、患者預後不良）的發生發展密切相關。
據報導，Notch信號通路在細胞增殖和細胞凋亡中發揮了重要作用。這種蛋白由Notch基因（Notch-1, -2, -3和-4）編碼，這些基因與其配體（Dll-1 （Delta-like 1）, Dll-3 （Delta-like 3）, Dll-4 （Delta-like 4）, Jagged-1和Jagged-2）結合後激活。
Notch受體的細胞外結構域和細胞內結構域存在一定的差異，但是這些結構域的結構相同。Notch受體可以細胞內的肌動球蛋白細胞骨架連接，後者決定了細胞的力學特性。毗鄰細胞間的受體-配體結合可以激活Notch信號通路。
一旦受體-配體結合激活Notch信號通路，Notch受體在一系列蛋白質水解（proteolytic cleavage）作用下釋放其細胞內結構域。具體一點，釋放的Notch細胞內結構域會移位進入細胞核，與Notch的靶基因（例如split-1 （Hes-1）, NF-κ B, cyclin D1和c-Myc的增強子基因）結合，促進其轉錄表達。
這些結果表明，細胞-細胞間的粘附信號可以影響基因的表達，隨後改變腫瘤細胞的力學特性（例如，細胞剛性、細胞骨架重組動力學、細胞運動能力）。此外，上皮-間質轉化（epithelial–mesenchymal transition，EMT）表型的獲得和腫瘤幹細胞（CSC）或腫瘤幹細胞-樣表型的誘導均與腫瘤復發和藥物耐受性相關。
上皮-間質轉化會顯著改變腫瘤細胞的力學特性，因為上皮-間質轉化後腫瘤細胞的肌動球蛋白細胞骨架和細胞骨架的剛性、細胞-細胞間的粘附連接均顯著降低，這有助細胞的轉移和侵襲。此外，上皮-間質轉化後腫瘤細胞的基質金屬蛋白酶（MMPs）表達水平顯著上調。
研究發現，這些基質金屬蛋白酶可以提升腫瘤細胞在3D膠原蛋白支架中的侵襲轉移能力。然而，目前尚不清楚Notch-1受體信號通路是如何促進腫瘤細胞獲得上皮-間質轉化表型和腫瘤幹細胞自我更新能力的。多項研究發現，Notch基因在宮頸癌、肺癌、結腸癌、頭頸、腎癌、急性髓系淋巴瘤和胰腺癌等腫瘤組織中均異常激活。
更具體一些，Notch-1受體和其配體Jagged-1的高水平表達與乳腺癌和前列腺癌患者的不良預後密切相關。同樣，Notch-1受體過表達可以通過激活間質細胞標記物（ZEB1, CD44, EpCAM和Hes 1）誘發上皮-間質轉化。尤其是，CD44是一種可以與透明質酸（hyaluronic acid）結合的跨膜糖蛋白，它可以上調腫瘤細胞入侵結締組織的能力。
此外，Notch-1受體過表達可以下調miR-200b的表達水平。然而，miR-200b再表達可以下調ZEB1 和波形蛋白（vimentin）的表達水平，從而促使腫瘤細胞發生間質-上皮轉化。由于波形蛋白是一種中間絲狀體，所以細胞的力學特性同樣會發生改變，這些細胞的運動能力下降。
這些研究結果表明，Notch-1信號通路激活可能會導致腫瘤細胞獲得上皮-間質轉化表型，這在一定程度上依賴於miR-200b的表達上調和 腫瘤幹細胞的自我更新能力，金雀異黃酮（genistein，酪氨酸激酶抑制劑）可以阻斷這個生物過程。
這個實驗表明，酪氨酸激酶（例如Rac-1）參與了細胞侵襲過程，因為CD44可以促進腫瘤細胞向3D細胞外基質中的侵襲。然而，Notch所介導的細胞-細胞間粘附作用降低是否是高度侵襲性腫瘤細胞「脫穎而出」的先決條件？Notch受體表達改變腫瘤細胞的力學特性是否是為了增強腫瘤細胞的侵略性（aggressiveness）和侵襲性（invasiveness）？
腫瘤發生發展過程中的第三大特點類似於達爾文進化論（Darwinian evolution），那些具有高度侵襲性的腫瘤細胞成為「優勝者」，發生轉移並在原發性腫瘤的遠處生存下來。
在達爾文進化模型中，腫瘤細胞的選擇過程表現出穩定地基因變化。這些「獲選」的腫瘤細胞數量極少，因為先前的選擇壓力特別大、且選擇過程一般出現在腫瘤發展的末期。因此，達爾文進化模型是飽受質疑的，其他模型對腫瘤轉移和發展的影響可能更大。
近期出現的新技術已經對這個傳統的轉移模型提出了挑戰，例如高密度晶片表達分析（high-density microarray-based expression profiling）、活體成像（intravital imaging）和腫瘤侵襲性細胞的分選（collection of invasive cancer cells）。
尤其是，這些新技術已經為診斷和治療轉移性疾病提供了新的標誌物。幾項研究以小鼠乳腺癌模型為對象進行了基因表達譜分析，結果顯示腫瘤細胞獲得轉移能力主要發生在腫瘤發展的早期，而不是達爾文進化模型中所預測的腫瘤發展晚期。
因此，侵襲性腫瘤細胞的轉移能力是原發性腫瘤大部分細胞編碼的結果，其中涉及某些基因的瞬時表達。然而，也可以將這兩個模型結合，因為在基因改變後，微環境也可能影響腫瘤細胞的侵襲和轉移表型，而這個過程一般發生在腫瘤疾病的早期。
兩者合併後的 「新模型」稱之為腫瘤微環境侵襲模型（tumor microenvironment invasion model），即腫瘤微環境啟動了特定基因的表達, 這些基因可以誘導細胞運動、侵襲和轉移。尤其是，腫瘤微環境侵襲模型提出，原發性腫瘤中腫瘤細胞的基因突變會改變微環境，隨之上調腫瘤細胞和基質細胞的運動能力。
腫瘤微環境的改變尤其可以提升腫瘤組織中的微血管密度、炎症反應和缺氧狀況。這些微環境變動會導致腫瘤細胞和基質細胞中基因表達的瞬態和表觀遺傳改變，類似於胚胎器官發育中微環境改變驅動形態形成（morphogenetic）細胞的運動。
此外,腫瘤微環境侵襲模型指出，微環境所引發的腫瘤細胞侵襲和轉移在時間和空間上似乎是隨機的，這會導致在腫瘤發展過程中不斷地出現侵襲性和轉移性腫瘤細胞。乳腺癌模型的活體成像技術顯示，一小部分腫瘤細胞可以發生轉移，不過這些腫瘤細胞在原發性腫瘤中的分布十分隨機，這與腫瘤微環境侵襲模型的理論相符。
重要的是，轉移瘤一般是異質性的，表明腫瘤轉移並不是一種穩定的基因表型，這在一定程度上支持了腫瘤微環境侵襲模型。此外，侵襲性腫瘤細胞的基因表達譜顯示，這些從原發性乳腺癌中分選的腫瘤細胞具有一種侵襲特點（基因表達模式），這種特點可以調控腫瘤細胞在體內的遷移和趨化（chemotactic）活性。
研究發現，從乳腺癌患者腫瘤組織分選得到的侵襲性腫瘤細胞可以高水平表達Mena分子。Mena分子高水平表達與乳腺癌患者的不良預後密切相關，與上述結果相符。Mena分子是一種肌動蛋白調控蛋白，它可以通過控制肌動蛋白的聚合作用影響細胞的侵襲模式。
此外，Mena分子還是腫瘤轉移的預測性指標。更具體一些，在侵襲性腫瘤細胞中，Mena亞型分子對表皮生長因子（epithelial growth factor，EGF）高度敏感，可以上調細胞的突出物（protrusion）形成能力和運動能力，其他Mena亞型分子的表達水平會顯著下調。
此外，近期研究發現microRNAs也可以通過改變間質（stromal）細胞的基因表達情況調控腫瘤微環境的力學特性。上皮-間質轉化（ECM）異常可能會改變間質細胞的行為，以及促進腫瘤-相關的血管新生和炎症反應，最終將正常微環境轉化為致瘤（tumorigenic）微環境。
腫瘤發生發展中的第四大特徵是腫瘤細胞的多個參數往往會相互作用並形成反饋迴路（feedback loop）以便調控腫瘤細胞在3D遷移系統中的運動情況，例如酶、收縮結構相關分子、細胞外基質結構和成分等參數。
除了細胞-細胞粘附分子外，偽足（pseudopodia）的生長與基質金屬蛋白酶（例如MT1-MMP, MMP2, MMP3和MMP9）的酶消化相互作用，偽足在1D膠原纖維系統的生長情況與2D、3D系統中不同，因為細胞膜外突物和基質金屬蛋白酶在3D系統中起了重要作用。
為了尋找更好的抗腫瘤治療藥物，3D培養模型成為揭示腫瘤發生發展中的信號轉導通路不可或缺的平臺。細胞對膠原纖維的牽拉（tractions）可能會激活基質金屬蛋白酶，細胞外突物的推力、基質金屬蛋白酶活性和細胞遷移之間的相互作用很可能通過一種反饋迴路進行調控。
然而，腫瘤細胞在不降解細胞外組織的情況也可以進行轉移，也可以產生和傳遞對膠原纖維的牽拉力，信號調控後細胞是如何運動的？脫落酶（sheddases）可以切斷細胞-細胞外基質間的連接，這個反饋迴路是否可以影響脫落酶的活性？
3.1 跨越基底膜障礙
儘管目前尚未搞清腫瘤細胞跨越基底膜（basement membrane）障礙的機制，不過這個過程是力學-主導下腫瘤基礎研究的重點。侵襲性腫瘤細胞是如何從原發性腫瘤中遷移出來，又是如何穿越腫瘤基底膜的？尤其是，甚至不能確定這些腫瘤細胞來源於原發性腫瘤的內部還是外部。
只能確定都是，原發性腫瘤最外緣的細胞可能有很小的表面張力。此外，研究發現原發性腫瘤中有少量高度侵襲性的腫瘤細胞可以弱化細胞-細胞間的粘附作用，從基底腫瘤細胞層中穿過，這些基底腫瘤細胞不具有侵襲轉移能力，最終穿越腫瘤的基底膜。
目前尚不清楚這些腫瘤細胞是如何獲得下調細胞-細胞間粘附作用和上調細胞-細胞外基質間粘附作用這種特殊能力的。Foty和Steinberg在其綜述中提出了一種 「分化粘附假說（differential adhesion hypothesis）」，組織發育過程中的組織擴散和細胞分離現象可能源於組織的表面張力，這種表面張力是細胞-細胞間粘附作用的差異性所造成的。
不過，這種表面張力（surface tension）或其他力學特性變化是否是侵襲性腫瘤細胞獲得「逃離」原發性腫瘤能力的主要因素，這有待於進一步研究。特別是，腫瘤細胞如果要通過跨內皮型轉移途徑進入血管，就必須先從原發性腫瘤中遷移出來。
首先，腫瘤細胞穿過基底膜。基底膜是一層薄的、連續的和緻密的片狀（sheet）結構，將上皮組織與毗鄰的結締組織分離開來。基底膜的主要成分是IV型膠原、蛋白聚糖（proteoglycans）和層粘連蛋白（laminin）。然後，腫瘤細胞遷移通過間質，間質的主要成分是纖維膠原蛋白（fibrillar collagens）、蛋白聚糖和各種糖蛋白（glycoproteins）。
腫瘤細胞穿越基底膜是腫瘤轉移過程中的關鍵步驟，因為它發生在腫瘤細胞跨膜進入淋巴管或血管之前（血管內滲，intravasation），同樣也是腫瘤細胞進入靶器官的方式（細胞外滲，extravasation）。循環性腫瘤細胞（circulating cancer cells）的出現與疾病的惡性程度、轉移性升高和復發時間縮短密切相關。
目前有個開放性問題，腫瘤細胞經過上皮-間質轉化是否會產生更多的間質化腫瘤細胞或幹細胞-樣腫瘤細胞。目前已經在3D細胞外基質遷移系統中發現了多種含有「粘合體（adhesome）」蛋白的粘附結構，常見的粘合體蛋白包括黏著斑蛋白（vinculin）、樁蛋白（paxillin）和斑聯蛋白（zyxin）。
有研究報導，粘合體蛋白並不會形成聚合體（aggregates），通常分散在細胞質中。然而，這些研究用的是不同類型的細胞外基質（細胞提取物或膠原蛋白I），在實驗中有時將細胞混合在3D細胞外基質中，有時將細胞接種在細胞外基質的表面。這些不同實驗結果產生的原因可能有以下幾個。
第一，距離玻璃器皿越遠、3D細胞外基質的彈性（elasticity）越大，這可能會影響細胞粘附結構的組裝。第二，3D細胞外基質的組成可能影響細胞粘附結構的組裝，因為在進行細胞粘附結構組裝時3D膠原纖維顯得太細。同樣，大量的膠原纖維構件可能會縮小粘附結構組裝的寬度。
此外，使用non-pepsinized或pepsinized膠原蛋白可能會影響3D培養系統中黏著斑的形成。第三，過量表達的螢光標記化（fluorescently labeled）-粘合體蛋白可能會影響聚集體（aggregates）的可視化（visualization）效果，這時螢光效果可能與螢光標記化-粘合體蛋白低表達時的螢光效果相同。
然而，目前並不清楚粘合體蛋白的力學特性以及粘合體蛋白在腫瘤細胞穿透基底膜過程中的發揮了何種作用。特別是，粘合體蛋白力學特性對3D微環境中黏著斑形成的影響
3.2 細胞以整合素依賴性模式和起泡模式侵襲結締組織
細胞遷移是一個多步的過程。纖維狀肌動蛋白（F-actin）在侵襲性細胞的前緣聚集，向外推動細胞膜形成突出物（protrusion），突出物會藉助整合素（integrin）家族的跨膜受體錨定在細胞外基質，並藉助黏著斑（focal adhesion）蛋白與肌動球蛋白細胞骨架發生偶聯。
肌球蛋白（myosin）II通過壓縮肌動蛋白網絡產生收縮力，然後整合素將內部的收縮力傳遞下去。收縮將逆行牽拉力（retrograde pulling forces）施加到整合素上，從而促進整個細胞向前運動。特別是，細胞的整合素組成決定了這種細胞在遷移時粘附-驅動模型可以使用哪種類型的基底（substrate）。
基底-特異性粘附和細胞遷移之間的聯繫限制了侵襲性細胞預設粘附模型的使用。這個過程似乎是細胞精確移位（trafficking）和準確定位必不可少的，不管是組織生長還是再生，或者是腫瘤疾病和炎症反應。
另一種細胞遷移模式是細胞膜起泡模式。侵襲性細胞的前緣在肌球蛋白（actomyosin）-驅動型收縮力的作用下，可以突出形成一個不含肌動蛋白的細胞膜泡狀物，或是一個富含肌動蛋白的偽足（pseudopodium）。在侵襲性細胞的前緣，聚集的肌動蛋白會將細胞膜向外推。
如果擴張的肌動蛋白網絡受到一種逆行的反力，微絲的向外推動就會造成細胞膜的外突，這種逆行的反力一般由整合素（integrins）提供。更具體一點，趨化性樹突細胞（chemotactic dendritic cells）可以通過切換整合素-依賴性和整合素-非依賴性遷移模式適應基底（substrates）的粘附特性。
當整合素-肌動蛋白離合器（clutch）一旦開啟，肌動蛋白聚集就會轉化成突出物（protrusions）。然而，整合素-肌動蛋白離合器一旦關閉，肌動蛋白就會滑落，從而產生逆行的肌動蛋白流。此外，為了維持細胞形狀和保證突出物形成的速度，可以通過肌動蛋白聚集平衡逆行的肌動蛋白流。
最後，這種現象表明：在聚合動力學（polymerization dynamics）的適應性反應中， 侵襲性細胞並不一定循著粘附性基底（adhesive substrates）的特定方向進行轉移。然而，可溶性趨化因子的濃度梯度才是細胞轉移方向的導向標，它可以指導侵襲性細胞轉移到任何類型的組織中。
3.3 跨內皮型轉移
細胞可以遷移通過狹小的空間，這是多種疾病發生的關鍵步驟。例如，在炎症反應和免疫反應中，白細胞可以穿透血管或淋巴管的內皮細胞內壁進入發生炎症的組織。在此過程中，最大的難題是間期（interphase）細胞的細胞核很大且很難發生變形，這在一定程度上限制了細胞通過變形穿越狹小空間的能力。
圖 6. 細胞的跨內皮轉移（the transendothelial migration）過程中的空間限制。細胞核的力學特性（例如變性，deformation）在跨內皮轉移中起了重要作用。細胞的其他力學特性同樣發揮了重要作用，例如細胞的剛性和易變性（cellular stiffness or fluidity），微絲（microfilaments，MF）、中間絲（ntermediate filaments，IF）和微管（microtubuli，MT）的細胞骨架重塑動力學（cytoskeletal remodeling dynamics）。另一個重要的力學特性是細胞可以產生和傳遞收縮力（contractile forces）。在跨內皮轉移過程中，細胞會形成絲狀偽足（filopodia），偽足可以感知微環境的力學特性，並幫助細胞在內皮細胞內壁上尋找合適的跨內皮轉移位點。
這個過程似乎涉及了細胞的力學特性，例如細胞核的剛性、細胞的剛性、細胞骨架重組動力學（cytoskeletal remodeling dynamics）、收縮力（contractile forces）的產生和傳遞（如圖6所示）。跨內皮轉移細胞的力學特性改變包括微絲、中間絲和微管的重建。
不過，這三種細胞骨架成分對腫瘤細胞和「屏障」內皮細胞力學特性的影響到底有多大？目前，中間絲（intermediate filaments）已經成為生物物理學研究的重點，研究發現中間絲可以與肌動球蛋白（actomyosin）細胞骨架相互作用，從而調控細胞的運動能力。
4. 腫瘤發展的物理學視點
到目前為止，還有很多關於腫瘤的物理學問題沒有解決。這可能會大家影響對腫瘤發生發展的理解，使得腫瘤疾病和腫瘤轉移發生機制的深入研究難以進行。
目前尚未解決的問題如下所示。（1）收縮力（contractile forces）在腫瘤細胞穿越細胞外基質和血管內壁（endothelial lining）過程中起了何種調控作用？（2）高度侵襲性腫瘤細胞的力學剛性（mechanical stiffness）在腫瘤細胞遷移速度和跨內皮轉移（transendothelial migration）效率中有何種影響？
（3）內皮細胞相互作用的力學特性在腫瘤細胞跨內皮轉移和組織侵襲中起了何種作用？（4）巨噬細胞及其釋放的細胞因子可以影響腫瘤細胞和內皮細胞的力學特性，這是否會硬性腫瘤細胞的侵襲能力？（5）腫瘤細胞微環境的力學特性對分選高度侵襲性腫瘤細胞具有何種影響？
從一個物理學家的角度分析，腫瘤的發生發展是一個由力學驅動的生物過程，這會影響腫瘤細胞的生物化學信號通路。例如，細胞力學特性變化可以激活信號轉導通路，但是並不了解其具體的作用機制。
為了研究腫瘤發生發展和轉移的力學特性，物理學主導腫瘤研究的關鍵在於分選具有高度侵襲性和轉移性的惡性腫瘤細胞。腫瘤轉移是一個分步過程，原發性腫瘤中僅有少量細胞具有轉移潛質。尤其是，腫瘤細胞需要經歷「逃離」原發性腫瘤、穿透腫瘤包膜、轉移進入微環境（例如腫瘤間質）、穿越血管內壁進入血液、轉移到靶組織等一系列過程，才能形成繼發性腫瘤。
腫瘤細胞的力學特性在這些過程中起了重要作用。除了細胞侵襲性升高、細胞形態變化、細胞骨架結構和生物物理學特徵外，腫瘤細胞還可以通過重塑和改變其微環境促進腫瘤的發生發展和轉移，例如改變微環境的剛性和空間位阻（steric hindrance）。
此外，研究發現在腫瘤疾病的發展過程中腫瘤微環境並沒有產生不利的隔室（compartment）。相反，腫瘤微環境是一個有利的隔室，這為惡性腫瘤發展提供了重要的力學特性。更重要的是，腫瘤微環境似乎對腫瘤轉移過程中的每一步都至關重要。
內皮微環境（例如腫瘤中的血管或淋巴管）同樣是腫瘤細胞侵襲3D細胞外基質的有利因素，因為3D細胞外基質的孔徑顯著小於腫瘤細胞的直徑。腫瘤微環境的外部力學特性可能是幾何或機械方面的，可能會根據侵襲性腫瘤細胞所在的空間維度發生變化。
尤其是，腫瘤微環境（腫瘤間質）的結構和物理學特性可能包括細胞外基質剛性、孔徑、纖維交聯點、交聯蛋白、細胞外基質纖維網絡的組成和厚度、彎曲性（bending properties）和空間定位（spatial orientation）。原發性腫瘤、高度侵襲性腫瘤細胞或腫瘤相關細胞（例如內皮細胞、巨噬細胞和成纖維細胞）可以改變腫瘤微環境的這些參數，以便將微環境轉化為單個腫瘤細胞或細胞群侵襲的最佳基質。
如果腫瘤細胞的剛性過大或過小，腫瘤細胞就無法通過變形穿過細胞外基質支架中高度交聯的膠原蛋白纖維，這會影響細胞遷移的效率。最後，原發性腫瘤微環境的力學特性很可能在腫瘤細胞的侵襲轉移能力獲得中起了重要作用。
尤其是，局部腫瘤微環境的細胞外基質剛性可能足以成功分選高度侵襲性的腫瘤細胞亞型，這是一種類似於間充質幹細胞分化的方式。腫瘤細胞與細胞外基質間的力學作用可能在腫瘤細胞穿越腫瘤包膜和隔室邊界時起了重要作用。如果腫瘤是高度惡性的，這些腫瘤細胞可能會直接侵襲血管或淋巴管。
在血管內滲（intravasation）和血管外滲（extravasation）過程中，腫瘤細胞似乎經歷了強烈的彈性形變，以便腫瘤細胞滲入內皮細胞-內皮細胞間的連接，甚至穿透血管的內皮細胞內壁，這是一層相當緻密的細胞層。
腫瘤細胞進入血液系統後，必須解決血流帶來的遷移速率（migration velocity）問題，以及如何粘附在血管內壁上。因為血流會影響腫瘤細胞的粘附效率，從此決定腫瘤細胞轉移靶點，在哪裡形成繼發性腫瘤。最後，詳細了解物理學相互作用和機械力以及它們在生物物理學變化中的作用，將為研究腫瘤發生發展過程提供新視角，還將為設計抗腫瘤治療策略提供新思路。
4.1 影響腫瘤特徵的物理學因素
當前提出的腫瘤八個特徵並不包括腫瘤細胞和腫瘤微環境的力學特性，這表明腫瘤科學家並未從物理學視角分析腫瘤的發生發展過程。在這裡，我們將著重從物理學視角分析腫瘤疾病。
由於當前的遺傳學和分子生物學手段並不能解釋腫瘤轉移中的複雜性，為了更好地研究惡性腫瘤疾病的發生發展過程，需要將傳統的物理學手段和生物物理學技術引入腫瘤基礎研究領域。尤其是，這些新穎的研究技術已經顯著改變了當前的腫瘤研究現狀，並革新了大家對腫瘤疾病的傳統認識。
目前已經達成了共識，在腫瘤基礎研究中不能再忽略力學研究，必須將力學研究納入當前的腫瘤研究之中。這意味著腫瘤的「經典」特徵會變成九個，第九個特徵就是對腫瘤轉移複雜調控機制的力學認識。重要的是，這個新特徵描述了原發性腫瘤和腫瘤微環境是如何通過改變細胞生存環境和特性達到分選高度侵襲性腫瘤細胞亞型目的。
此外，這些高度侵襲性的腫瘤細胞可以降低細胞-細胞間的粘附作用，改變毗鄰細胞的力學特性，從而穿越原發性腫瘤的包膜（腫瘤-微環境間基底膜）、遷移進入腫瘤間質（包括細胞外基質和嵌入細胞）。總之，這會改變侵襲性腫瘤細胞、腫瘤微環境、毗鄰細胞的力學特性。
原則上，應該將這個新特徵放在免疫規避（avoiding immune destruction）特徵之後，侵襲轉移激活（activating invasion and metastasis）特徵之後。重要的是，腫瘤的第九個特徵（高度侵襲性腫瘤細胞的分選）可以降低細胞-細胞間的粘附作用、上調細胞-細胞外基質間的粘附作用、調控腫瘤細胞的力學特性，最終促進腫瘤細胞的跨基底膜轉移和結締組織滲入。
此外，腫瘤的「九大經典特徵」可以重新劃分為3類，瘤狀物的形成（第1-3個特徵）、腫瘤細胞轉化成為侵襲性細胞（第4-5個特徵）、腫瘤生長（第6-9個特徵）。如果仔細分析腫瘤的八大「經典」特徵，可以將力學特性融入到每個特徵中，不過要對其進行重新定義。
4.2 影響炎症反應的物理學因素
上述是關於腫瘤疾病的論述，下面將從物理學角度系統性介紹炎症反應的發生過程。炎症反應發生的整個過程可以劃分為以下幾點：（1）炎症發生後細胞因子和趨化因子（chemokines）帶來的外部刺激；（2）白細胞（leukocytes）開始向內皮（endothelium）募集；（3）白細胞粘附到內皮上；（4）白細胞在血管內沿著內皮爬行（crawling）；（5）白細胞跨內皮（transendothelial）轉移；（6）白細胞脫離（detachment）內皮；（7）白細胞遷移進入炎症部位的結締組織；（8）在整合素信號作用下單核細胞（monocytes）分化成為巨噬細胞（macrophages）；（9）炎症部位的整合素（integrin）調控（如圖7所示）。
圖7. 炎症反應的九大連續性特徵。根據作用機制，可以將炎症的九大特徵可以劃分為三部分：（1）白細胞（leukocytes）向血管（endothelium）的募集和粘附，（2）白細胞的跨內皮（transendothielial）轉移，（3）白細胞的侵襲結締組織（connective tissue）和分化。
炎症反應的九大特徵同時涉及力學特性和生物化學特性。白細胞與血管內皮細胞內壁接觸所產生的力學刺激可能會強化兩者之間的粘附作用，白細胞爬行可能由力學強化誘導，白細胞的跨內皮轉移可能與內皮細胞和白細胞的力學特性相關。
5. 細胞對機械壓力的反應
如果細胞的角蛋白（keratin）網絡是完整的，它可以感知微環境的剛度變化，並根據需求對自身力學特性做出適應性改變。然而，如果角蛋白網絡的改變與角蛋白8 和角蛋白18相關，角蛋白網絡和肌動蛋白細胞骨架之間的連接就會失去功能或者就不能根據微環境剛度的變化做出適應性改變。
由肌動蛋白微絲（actin filaments）、微管（microtubules,MTs）和中間絲（intermediate filaments,IFs）所構建的細胞骨架與細胞形狀維持和組織完整性相關。這種細胞骨架可以抵抗外部壓力、調控細胞運動活性、調節細胞內的微絲運動以及促進信號轉導的發生。
除了細胞內的平衡力外，當細胞侵襲緻密細胞外基質時，這些侵襲性的單個細胞或細胞群需要具有高度的變形能力。目前肌動蛋白細絲和微管的功能已經研究比較徹底，但是仍不清楚中間絲在細胞力學特性中起了何種作用及如何幫助細胞進行侵襲和跨膜轉移。
中間絲細胞骨架是由長的、無細胞極性的角蛋白（keratin）二聚體組裝而成，這些二聚體包括I型角蛋白和II型角蛋白。這些特定細胞類型表達的特定角蛋白亞型可能會改變細胞和組織的生物力學特性。基底的表皮角化細胞（epidermal keratinocytes）可以表達角蛋白K5/K14對，在分化程度高的皮膚組織中角蛋白K5/K14對的表達水平顯著下調、角蛋白K1/K10對的表達水平顯著上調。
如果出現皮膚再生，角蛋白K1/K10對的表達水平會顯著下調、角蛋白K6/K16對的表達水平顯著上調。由於角蛋白突變會破壞角蛋白細胞骨架，這會降低細胞的脆性，但是目前仍不清楚角蛋白在細胞和組織完整性中到底起了何種作用。
圖8. 用磁性鑷子微流變學（magnetic tweezer microrheology）測量細胞剛性。（a）腫瘤細胞表面綁定超順磁圓珠（superparamagnetic beads）的掃描電子顯微鏡圖像。（b）腫瘤細胞表面綁定超順磁圓珠和磁性鑷子針（magnetic tweezer needle）的光鏡圖像。（c）纖連蛋白（fibronectin）覆蓋圓珠與細胞表面α5β1整合素（integrin）受體結合的示意圖。磁性鑷子針可以通過產生一個磁場徑向（magnetic field radial）對超順磁圓珠施加作用力。更具體一些，磁場強度是可調控的。（d）在不施加外力（上面兩張圖）和施加外力（中間兩張圖）的情況下，兩個綁定超順磁圓珠腫瘤細胞的相互作用。下面兩張圖是細胞1和細胞2在施加外力或沒有施加外力情況下的相互作用。
更具體的說，角蛋白表達水平一旦下調，細胞-細胞間和細胞-細胞外基質間的粘附作用就會顯著降低，隨之影響腫瘤細胞的上皮-間質轉化和侵襲轉移行為。尤其是，在細胞穿越孔徑小於細胞核的緻密微環境時，腫瘤細胞形狀改變和剛性變化可能會受到影響（如圖8所示）。
然而，腫瘤細胞的輕微變形可能只會影響到皮層肌動蛋白（cortical actin），而皮層肌動蛋白是影響細胞剛度的主導因素。研究發現，腫瘤細胞在進行輕微變形時，微管並不影響細胞的剛性。腫瘤細胞在進行強烈變形時，中間絲主要參與維持細胞的完整性（integrity）。
此外，在高強度的外力作用下，相比角波形蛋白（vimentin）野生型細胞，角波形蛋白缺失型細胞的剛性顯著降低。然而，在低強度的外力作用下，波形蛋白表達水平對細胞剛性沒有影響。很明顯，這是一個值得思考的問題。中間絲對細胞的中度變形具有何種影響？
中間絲細胞骨架如何與肌動蛋白骨架相連？最近一項研究已經對第二個問題作出了解釋，並詳細介紹了14-3-3σ（人分層蛋白stratifin）、肌動蛋白和中間絲複合物的形成調控細胞運動的機制。與野生型細胞相比，角蛋白（keratin）缺失細胞的剛性顯著降低。
此外，在侵襲小室（transwell-membrane）實驗和3D球體培養（spheroid culture）實驗中，角蛋白缺失細胞的運動能力顯著降低。總之，這些實驗表明：在外力的刺激下，中間絲細胞骨架對細胞力學特性和功能特性（例如細胞轉移和侵襲）產生很大影響。
6. 對細胞侵襲、穿越基底膜和經上皮移行相關物理學概念的討論
儘管關於細胞侵襲、細胞穿越基底膜（basement membrane crossing）或穿越內皮血管內壁（transendothelial migration）的物理學概念還很少研究，但是關於這些過程物理學基礎的腫瘤研究仍很多。腫瘤細胞對其力學微環境的敏感性究竟處於分子水平還是細胞水平，這個問題仍需要進一步研究。
目前，為了尋找腫瘤發生發展相關的力學通路，科研人員已經藉助計算機研究分析了細胞外基質剛性、血液剪切力和粘附作用等微環境的力學特性對細胞運動和基因表達的影響。一個黏著斑內的力學信號轉導僅需幾百毫秒。當然，這不包括那些耗時幾分鐘的擴散反應或化學反應。
因此，力學信號的快速傳播成為可能，黏著斑蛋白（例如Src等）變形相關的彈性波（elastic waves）。特別是，彈性波傳播還可能涵蓋Src和整合素的活化過程。此外，儘管收縮力（contractile forces）不參與調控肌動蛋白細胞骨架的變形，但是它卻可以調控細胞應對細胞外基質或微環境剛度等外部力量時的反應。
此外，細胞還可以牽拉細胞外基質，這種牽拉力與細胞外基質的彈性性能無關。然而，研究發現牽拉力的強度隨細胞外基質的剛度發生改變，這表明細胞中可能存在一種大型的力學傳感結構，這種結構可以調控細胞對細胞外基質牽拉力的大小。
目前，仍不能完全了解腫瘤進展相關的力學機制，特別是腫瘤細胞跨膜過程中基底膜和細胞外基質的物理學特性、以及腫瘤細胞內皮細胞移行過程中血管內皮細胞內壁的物理學特性。然而，在此過程中的相互作用、力學反饋機制尚不清楚。總之，在腫瘤物理學研究中需要將生物化學實驗和基因表達譜分析聯合使用。
7. 結論與前瞻
腫瘤物理學領域仍有大量問題尚未解決。很顯然，有必要從力學角度對腫瘤的八大「經典」特徵進行重新定義，並分析它們對惡性腫瘤進展的影響。炎症的特徵亦是如此，因為我們先前並未研究白細胞和炎症微環境的力學特徵。
然而，在腫瘤轉移過程中，腫瘤細胞與微環境之間的生物化學作用決定了原發性腫瘤中侵襲性腫瘤細胞的擴散能力、腫瘤細胞穿越內皮性血管或淋巴管內壁的能力。此外，對腫瘤細胞的力學特徵進行分析，不僅有助於我們預測某種特定類型腫瘤發生轉移的概率，還將有效提升我們預測腫瘤患者的總體存活率準確性。
尤其是，腫瘤細胞的這些物理學和材料學特性有利於腫瘤細胞發生轉移、以及血管或淋巴管滲入後擴散。在細胞侵襲過程中，微環境的外部力量可以影響上皮起源腫瘤細胞在結構複雜細胞外基質網絡中的運動能力、腫瘤細胞的血管滲入或血管外滲能力。
因此，了解腫瘤轉移背後的物理學和力學過程將是我們設計新型腫瘤診斷和治療策略的先決條件。此外，炎症反應相關免疫細胞同樣具有力學特性，這可以避免過度免疫反應的發生，從而加速組織損傷的癒合。
總之，了解生物力學在細胞運動性的作用，除了為抗腫瘤轉移提供有效的預防和診斷策略、以及揭示炎症反應後傷口癒合的先決條件外，還將有助於我們根據損傷後結締組織再生原理設計促進創傷癒合的反向策略。
目前，我們已經系統性地揭示了腫瘤微環境（機械力、剛性、孔徑和空間位阻等）的主要力學特性對腫瘤發生發展的影響，以及基質細胞和上皮細胞的力學特徵對常規腫瘤藥物治療後腫瘤侵襲的影響。然而，先進的遺傳學或生物化學方法仍需要與頂尖的生物物理學手段結合，這樣才能更好地研究腫瘤細胞及其局部微環境和免疫細胞的力學特徵。
最後，將物理學、分子生物學和生物化學有機結合，可以顯著降低候選抗腫瘤藥物對腫瘤動物模型和腫瘤患者腫瘤細胞或組織的分散效果，從而提升腫瘤治療的效率和強度。目前，新型的「腫瘤物理學（the physics of cancer）」以生物物理學和軟物質物理學為主導，仍然很少涉及生物學、免疫學和醫學的腫瘤研究。
不過，在5年前一個由生物學家和物理學家團隊組建的國家衛生研究所物理科學-腫瘤中心，已經著手研究腫瘤的物理學特徵。腫瘤研究相關的物理學手段不僅為腫瘤學家研究腫瘤細胞功能特性提供了新技術，還開拓了人們對腫瘤進展的認識，例如區分惡性和良性腫瘤、確定腫瘤疾病發生發展相關的功能性信號通路。
好好認識你的對手，才能更好的擊敗他！