借由微尺度转矩与细胞图案化研究力学效应对癌细胞生理影响与治疗策略

Cancer remains as one of the most challenging threats to human death. Recent evidence shows that, the development of cancer should be considered as the context of tissue formation, where mechancial forces are required to coordinate the administration at different stages. For example, the enriched environmental stiffness may enchance cell proliferation, migration, differentiation, or even metastasis. In this proposal, we aim at applying micropatterning and microscale torque to investigate the mechancial role in cancer physiology, and providing strategical plans for therapeutics. It is well known that cytoskeleton is associated with the intracellular stress. To control the cell spreading,we will use micropatterning to create a variety of cell-adherent substrate surrounded by cell-repellent substrate with different configurations (circle, square, etc) and sizes. Ferromagnetic nanowires will be connected to cells' focal adhesions such that the rotation of nanowires will generate microscale torques directly transmitted to the cytoskeleton. To quantify the induced mechanical stress, stacked immunofluorescence image of stress fiber will be analyzed for each individual cell. Based on the assessment of cell migration, viability, proliferation, and metabolism, the combinatory condition that has highest potential to reach metastasis will be identified. Finally, therapeutic treatment targeting to cell division together with inhibitors of stress fiber will be applied for customizing the treatment. Taking together, we envision the success of this approach will deliver a fast and informative way in obtaining insightful properties of cancer physiology, leading to development of novel strategy for drug screening and optimization.

癌症是致死率最高的疾病之一。证据显示，癌症的发展应被视为近似组织的形成，在不同阶段需借助不同的应力以管理和平衡。例如，借致密的环境硬度以促进细胞的增殖、迁移、分化、甚至导致癌细胞转移。本提案计划应用细胞图案化与微尺度转矩以揭示机械因素引起的细胞生理作用，并为癌症的治疗提供策略。众所周知，细胞的内应力与其骨架息息相关。本提案将应用微图案技术创建不同构型、不同尺寸的细胞粘附性岛屿，如圆形、矩形等以控制每个单独的细胞的延展，同时，以铁磁性纳米线连接到细胞膜，从而借旋转直接对细胞骨架施加不同水平的磁扭力，且运用迭加的应力纤维的免疫荧光图像对单细胞的机械应力进行量化。最后，针对细胞迁移、存活、增殖和代谢能力进行评估，识别最有可能促成细胞转移的因素，将其应用于靶向治疗肿瘤细胞分裂，同时结合应力纤维抑制剂进行定制化治疗。此计划将为理解癌症的生理特性提供快速有效的方法，并引领药物筛选和优化技术的新发展。

本项目旨在以光刻技术控制细胞延展，并借由细胞内吞之铁磁性纳米线的旋转以表达细胞自发性的旋转机械应力，进而探索环境机械刺激下细胞的一系列基本生理反应如活性和代谢。本研究发现，当单细胞培养于圆形的粘附岛并施加水平且均匀的磁场时，吞入镍纳米线的细胞将产生一种特定力矩旋转纳米线，值得注意的是，此细胞产生之扭矩乃依据细胞系而具有左旋或右旋偏转倾向。其后在多细胞的层级，此偏转扭矩可影响细胞之间的相互排列，进而引导多细胞结构的整体发展和组织形貌。本团队进一步发现此偏转扭矩伴随着一种环形的细胞内应力纤维结构。当以药物刺激或改采用椭圆形或长椭圆形的细胞粘附培养基时，此环状应力纤维结构将被破坏，同时细胞扭矩的偏转也随之中性化。此结果符合近期的文献报导，其阐述了细胞骨架可自发性产生一种单向偏转的旋性结构。基于这些成果，本团队设计了单向棘轮图案的细胞粘附岛以诱导细胞转向。本团队发现，此棘轮图案可确实引导细胞沿顺时针或逆时针旋转。更重要的是，当棘轮引导的方向与细胞本身的偏转扭矩同向时，细胞将具有较高的活性与代谢活动。反之细胞则具有较低的代谢活动甚至凋亡。由此可知，本细胞扭矩与细胞生理有直接的关联，暗示环境机械性质与细胞自发性旋转的相互作用可影响组织的整体方向性与发展。综上所述，这个项目成功地引入一个全新微尺度细胞扭矩平台以运用旋转机制对细胞进行调节并且提供生物机理的新颖理解方式，对解决细胞的运动与新陈代谢问题上拥有巨大的潜力。同时，细胞力学与生物物理学相协调背景下的细胞形态发生和细胞自组织也是所有多细胞有机体形成、生长、患病和修复的基础。因此，本项目以一个新的视角对细胞活性、组织工程及先天性疾病的科学研究起到至关重要的作用。同时也引发对力学、细胞骨架的组织和细胞间通信的深入调查。这对于从事癌症研究、发育生物学、心血管疾病和组织再生研究的学者有重要的借鉴意义，在多项学领域取得长远的影响。