理论物理学也能用来攻克癌症转移难题？

爱相随

紧密堆积的细胞中蕴含着的物理学原则可能会帮我们攻克癌症转移的难题。

　　
　　1995年，当生物医学家Peter Friedl还是加拿大麦吉尔大学的一名研究生时，他观察到了一些令人惊奇的现象：他在实验室培养的癌细胞会以集群的方式在模拟人体细胞生存空间的的纤维网络中整体移动，这一发现使他兴奋得夜不能寐。
　　一个多世纪以前，科学家已经发现单个癌细胞可以离开原肿瘤部位，通过血液和淋巴系统迁移到身体的其他部位，然而没有人曾观察到Friedl在显微镜下观察到的现象：一群排列紧密有序的癌细胞像一个整体一样移动。由于这一现象太过新奇，Friedl投稿的期刊拒绝发表他的文章。Friedl说：“文章被拒绝发表是因为我们观察到的现象与‘癌细胞转移’这一概念的关系还不明确。”最后，Friedl与合作者在期刊Cancer Research上发表了一篇短文章。
　　20年后，越来越多的生物学家认同了这样的观点：虽然以集群方式移动的癌细胞比单个在循环系统中迁移的癌细胞少，但很多，甚至是大多数致死性的癌症转移（90%的癌症患者死于这种转移）都是由集体迁移造成的。不过，直到2013年，在荷兰奈梅亨大学的Friedl才真正理解了他和同事以前观察到的现象。读了哈佛大学生物工程与物理学教授Jeffrey Fredberg的文章后，他多年的困惑与不解一下子消除了。Fredberg教授的文章指出，细胞可能会发生“拥堵”的现象——它们紧密地挤在一起，以至于形成了一个整体，就像咖啡豆卡在漏斗中一样。
　　Fredberg的研究对象是肺癌细胞，但是Friedl认为，他所观察到的转移的癌细胞可能也发生了类似的“拥堵”现象。Friedl说：“我意识到我和Fredberg观察到的现象本质是相同的，不论从3D角度看还是从运动形式上看。这使我非常兴奋，因为这个概念可以直接用于解释我们的发现。”很快，Friedl发表了新的文章，这是最早将“拥堵”概念运用到对癌细胞实验观测上的文章之一。
　　长期以来，物理学家为医生提供了许多对抗肿瘤的工具，比如辐射与质子束等等，但是直到最近才有人认真考虑这样一种观点：纯粹的物理概念或许也能帮助我们理解世界上致死率最高的现象之一——癌症转移——背后的生物基础。在过去的几年里，研究细胞转移的物理学家已经能够以惊人的准确率预测细胞行为。虽然这些研究仍处在发展初期，但支持者乐观地相信，研究诸如“拥堵”这样的相变（物质状态的改变），会在对抗癌症中扮演着越来越重要的角色。Fredberg说，“显然，‘动量’这样的概念存在于物理学领域中，如果物理学家认同它的存在，那么生物学家也不得不认同，毕竟细胞行为是遵循物理定律的——除此之外别无选择。”
　　拥堵指数
　　从最广义的范畴上讲，癌症早在物理成为一门学科前就已经遵循物理定律了。古希腊“医学之父”希波克拉底将癌症起名为cancer，这个命名来自于螃蟹（英文为crab），因为肿瘤的形状及周围的血管看起来就像螃蟹的壳与腿。
　　虽然死于实体瘤的人每年不超过800万，但是一旦癌细胞设法离开原肿瘤部位并转移到身体的其他部位，不管是药物治疗还是其他疗法，所能做的就只有将病人的生命延长几年而已。
　　生物学家通常将癌症视为基因程序出错的结果，突变与表观遗传上的变化使细胞出现了异于常态的的行为：控制细胞分裂与生长的基因可能开启表达，而控制细胞程序性死亡的基因则被关闭。然而，对于一些物理学家来说，癌细胞形状变化与行为改变导致的并非错误的基因程序，而是物理上的相转变。虽然现在持有这一观点的物理学家人数较少，但是有越来越多的物理学家已经开始认同这一观点。
　　相变是物理学中的一个基本概念，指材料内部组织结构在有序与无序状态间的一种变化。冰的熔化和水的沸腾过程就是相变的典型例子。物理学家在磁体、晶体、鸟群，甚至人工环境培养的细胞（以及细胞组分）中都观察到了类似相变的变化。
　　但是相比于水或者磁体，甚至是培养在一个培养皿中的相同的细胞这种均质材料，癌症处于极度无序的状态。不同的癌症因为病人的个体差异及发病器官的不同而有极大的差别，即使单个肿瘤也会包含形状大小及蛋白质组成各异的多种细胞，种类之多令人惊讶。癌症的这种复杂性，也使生物学家怀疑用普遍的理论框架来描述癌症的可行性，然而这种复杂性并没有使物理学家放弃对普适理论框架的探求。物理学家Krastan Blagoev说：“生物学家的训练通常在于发现复杂性与差异性，然而物理学家的目标却是试图发现事物的共同点，并从共性中提取出行为。” Blagoev领导着美国国家科学基金会的一个项目，着力于生命系统中的理论物理学研究。
　　1998年，美国宾夕法尼亚大学的物理学家Andrea Liu和芝加哥大学的物理学家Sidney Nagel 在Nature杂志上发表了一篇论文以解释 “拥堵”过程。在文章中，他们描述了大众所熟知的例子，比如交通拥堵、沙堆、卡在漏斗中的咖啡豆等等，在这些例子中，个体都是因为外部力量而聚集在一起以至于看起来像一个整体。对于拥堵现象，Liu和Nagel提出了一个大胆的前所未有的想法：拥堵其实是一种之前没有被发现的相变。这一观点在经过十年的争论后，现在终于被物理学家所接受。
　　虽然Liu和Nagel的文章并不是第一篇提到“拥堵”概念的科学文献，但是这篇文章却在物理学家间激起不小的波澜（文章已被引用超过1400次），Fredberg称之为“一场暴雨”。 Fredberg意识到，他大半个职业生涯都在研究的肺组织细胞，其紧密排布的方式与咖啡豆和沙粒堆集的方式很像。2009年，Fredberg和他的同事发表了一篇论文，首次指出“拥堵”可以使细胞在组织中一直处于恰当的位置，而一旦转变为非拥堵状态，就会使一些细胞移动，这可能暗示了哮喘和其他疾病的成因。
　　越来越多的科学家认识到，除了遗传之外，力学因素对于细胞行为也起着重要的指导作用，Fredberg和同事发表的论文正是其中的代表。Fredberg说：“人们曾经一直认为，在决定细胞行为的一系列因素中，力学规律处于最下游，最上游的决定因素是遗传学与表观遗传学因素。但是后来人们发现，物理外力和力学过程实际上可能位于遗传因素的上游，也就是说，细胞可以很好地感知它们周围的力学微环境。”
　　美国雪城大学的物理学家Lisa Manning读了Fredberg的文章后，决定实践他的这一想法。她和她的同事利用了一个二维模型，在该模型中，细胞间紧密接触，填充了整个空间。这一模型产生了一个序参量（指量化材料内部有序程度的可测量数值），她们称之为“形状指数”（shape index），形状指数将细胞的一个二维切面的周长与它的总表面积联系在一起。Manning说： “我们做了一个非常严格的预测：当形状指数小于或等于3.81时，组织呈固态，当形状指数大于3.81时，组织呈液态。之后我请Jeff Fredberg检验我们的这一预测，Jeff Fredberg做了实验，实验结果与预测非常吻合。”
　　Fredberg观察到，形状指数大于3.81的肺部细胞开始移动，在拥挤的细胞间推挤着前进。Fredberg说：“Manning的预测来源于纯粹的理论与思考，这确实是一个非常惊人的物理理论验证过程。” 美国癌症研究所肿瘤物理学项目的官员了解到这一结果，就鼓励Fredberg用癌细胞做类似的分析。该项目资助了Fredberg，目标是寻找乳腺癌细胞的“拥堵”特征。

　　
　　【图注】细胞中的“交通拥堵”现象：如果细胞紧密堆集，那么它们就会像汽车和咖啡豆一样，被挤到一个固定的位置。“形状指数”定量刻画了细胞的形状，可用于判断细胞是处在“拥堵”状态还是“非拥堵”状态。球形、对称的细胞拥有较小的形状指数，因而会保持在较为固定的位置，而椭圆形、不规则的细胞则拥有较大的形状指数，因而可以移动。
　　与此同时，德国莱比锡大学的物理学家Josef Käs也在试图探究“拥堵”是否可以帮助解释癌细胞的一些令人费解的行为。他从自己的和他人的研究中发现，虽然乳腺肿瘤和宫颈肿瘤的大部分呈固态，但是它们内部仍包含柔软、可移动的细胞组织，这些细胞会渗入周围的环境。Käs立刻想到，如果这些癌细胞的流动确实是由非拥堵相变引起，就能产生一个潜在应用：利用基于肿瘤细胞拥堵状态检测的活体检查，或许就能鉴定出肿瘤是否即将转移，而不必再利用已使用近一百年的目视检查手段。
　　Käs目前正在利用一种基于激光的方法寻找肿瘤的拥堵特征，他希望今年能够得到结果。在刚刚启动的另一项研究中，Käs和Manning及其雪城大学的同事不仅试图在癌细胞中寻找非拥堵相变，同时还在包裹肿瘤的纤维基质中寻找该种相变。

　　Käs甚至还有更为大胆的想法：“拥堵”的概念，或许能为肿瘤治疗带来新方法，这一方法会比临床医生如今通常使用的手段更为温和。Käs说：“我相信，如果我们能够使整个肿瘤产生拥堵，肿瘤就会变为良性。如果我们找到能使癌细胞拥堵的高效方法，使癌症患者多活20年，那么这一疗法将比破坏性极强的化疗方法好很多。”不过，Käs很快澄清，他还不知道在临床上如何诱导癌细胞产生拥堵。

　　物理学家与生物学家的合作

　　除了临床应用，“拥堵”概念的支持者认为，“拥堵”还能够帮助解决癌症生物学中一个引起热议的概念性问题。几十年来，肿瘤学家怀疑癌细胞要发生迁移，首先需要经历细胞类型的转变过程——从构成实体瘤主体的、有黏连性的上皮细胞，转变为更为纤细的、运动能力更强的间充质细胞——科学家经常发现这种细胞在癌症患者血液循环系统中单独移动。然而，随着越来越多的研究结果报道出类似于Friedl观察到的以集群方式迁移的细胞，研究人员开始怀疑，独自迁移的间充质细胞，即Friedl所称为的“孤独的骑手”，或许并不是杀人百万的癌症转移的背后起源。
　　有人认为，“拥堵”概念可以帮助肿瘤学走出这个概念性的困境。Friedl说，拥堵与非拥堵的相变就能轻易赋予癌细胞流动性与运动性，而不需要将一种细胞转化成差异极大的另一种细胞。通过这种方式，迁移的癌细胞可以互相协调配合，这可能有利于它们在新的部位增殖，产生肿瘤。
　　发展这一理论的关键在于，要充分考虑介于两个极端之间的一系列中间态细胞。Manning说：“在过去，解释癌症力学行为的理论要么以固态的实体瘤为主体，要么以‘液态’的迁移癌细胞为主体，现在我们需要考虑到这样的事实：癌细胞其实大多处在两个极端状态间的过渡态。”
　　目前已有物理学实验暗示，存在介于上皮细胞与间充质细胞之间的过渡态细胞。值得一提的是，这些物理实验并不是受相变概念启发而设计的。最近，来自美国莱斯大学的生物物理学家Herbert Levine和他之后的同事，来自特拉维夫大学的Eshel Ben-Jacob，借用非线性动力学的概念构建了一个癌细胞迁移的模型，该模型预言在血液循环中存在同时具有上皮细胞与间充质细胞特征的细胞群。肿瘤生物学家从未见过这样的过渡态细胞的存在，但是一些科学家目前正在实验室进行相关实验寻找这样的细胞。来自约翰斯霍普金斯大学的前列腺癌专家Kenneth Pienta表示：“单靠我们肿瘤学家自己根本不可能想到这样的细胞会存在，这是理论物理学给我们带来的直接影响。”
　　生物学中的相变过程
　　细胞拥堵的模型虽然很有实际应用价值，但是并不完美。例如，Manning的模型目前仅能应用于二维空间，但肿瘤是三维的。Manning现在致力于三维细胞运动模型的构建。她说，到目前为止，三维模型似乎已经能够预测到类似于二维模型中的液－固过渡态。
　　此外，细胞并不像咖啡豆一样简单。肿瘤或组织中的细胞通常能够以复杂的方式，例如基因程序或其他反馈环路，来改变自身的力学性质。如果拥堵概念能够为癌症提供一个坚实的概念基础，那么它必须有能力解释这样的行为。加利福尼亚大学旧金山分校生物工程与组织再生中心的主任Valerie Weaver说：“细胞不是被动的，它们会对内外环境持续响应。”
　　Weaver还提到，拥堵模型做出的预测与生物学家所说的“extrusion”概念非常相似，即死亡的上皮细胞被挤出拥挤的组织。最近，有研究表明，一些癌症的出现可能与这一过程出现功能障碍有关。Manning相信，细胞拥堵的概念也许能为许多与癌症相关的细胞行为提供统一的力学上的解释，包括“extrusion”。
　　Levine说，Manning的空间填充模型虽然可以使细胞产生拥堵行为，但仍然难以具解释细胞如何与周围其他细胞及环境相互作用。因此，Levine转变了思路，建模描述当一个细胞被其他细胞推挤时，该细胞可能产生的其他响应方式。Levine认为：“‘拥堵’这一概念可能会使人们的思想偏离正确的道路。”他补充道：“我认为，如果我们将思维束缚在物理相变的概念上，研究很可能会陷入僵局。”
　　Manning承认，单一的“拥堵”概念无法解释癌细胞的所有行为，但至少对于一些特定种类的癌症，“拥堵”发挥着重要的作用。Manning说：“我们并不是要传达‘力学规律至高无上’这样的信息。在判断一些特定的癌症是否危险时，我们的方法可能比传统的生化标记物检测方法更为有效，但是在另一些情况下，我们的方法可能并不适用。然而，在面对癌症这样的艰巨的问题时，我们需要集合所有人的共同努力。”
　　基于上述观点，物理学家提出了解读癌症的新方法。许多物理学家，包括来自巴塞罗那的庞培法布拉大学的Ricard Solé、来自阿尔伯塔大学的Jack Tuszynski以及来自普林斯顿大学的Salvatore Torquato，都发表了理论文章，指出相变可以帮助解释癌症的某些特征，以及如何用实验验证这些预测。
　　然而，也有其他研究者认为，相变概念可能不适合解释癌症的发生机理。普林斯顿大学的生物物理学家Robert Austin提醒我们，相变拥有惊人的复杂性，甚至是一些看似基本的现象，如水结冰，物理学家都至今未能准确计算出相变什么时候发生，而癌症的发生显然要比冰水的相变复杂得多。
　　从实际的角度讲，物理学家如果想要自己的理论得到推广并用于研究，首先要使生物学家和临床医生对他们的理论产生兴趣，否则发表再多的理论文章都是纸上谈兵。Fredberg表示，虽然“拥堵”概念在物理学中是一个热议的话题，然而大多数生物学家都没有听说过这一概念。虽然由美国物理学会和美国癌症研究协会或美国国家癌症研究所主办的一系列“物理与癌症”研讨会议为生物学家和物理学家提供了交流的机会，但是学科间术语的不同及思维方式的差异依然存在。Käs说：“我能够画出相图，但是最终你必须把它转化为肿瘤学家熟悉的语言。”
　　如果“拥堵”和相变理论在未来能够继续成功解释研究者观察到的细胞及组织行为，物理与生物学科间的代沟必将进一步缩小。Fredberg认为：“如果越来越多的证据表明细胞的集体运动是由‘拥堵’造成，那么‘拥堵’概念被生物学界认可并写进教科书只是早晚的事。”
　　Fredberg补充道：“如果真是这样，‘拥堵’将在概念上给生物学家带来一种强大的新工具。下一步挑战，就是找出生物体到底如何将物理规律与生命活动融合，即将其改写为细胞分子层面机制的。这是难点所在，但同时也是癌症物理学课题的迷人之处。”