《自然》：破解胰腺癌數十年謎題！科學家研究發現，發生癌變的導管直徑決定了腫瘤的生長方式，或有助於判斷腫瘤惡性程度

腫瘤可以說是當今人類健康的一大威脅，然而我們對腫瘤的觀察卻往往只能從2維的病理切片中獲取有限的信息，尤其是對腫瘤早期的發生髮展過程，更是知之甚少。

近日，弗朗西斯克里克研究所成人幹細胞實驗室的Hendrik Messal和Axel Behrens，以及生物理論物理實驗室的Guillaume Salbreux，用他們開發的一種新技術觀察了胰導管腺癌的發生，發現胰導管腺癌有兩種截然不同的生長方式：嚮導管內長成乳頭狀腫瘤，或者嚮導管外長成球狀結構。其中，向外生長的腫瘤更易轉移，惡性程度更高。而決定腫瘤採取哪種生長方式的竟然是細胞張力和導管直徑。相關研究發表在Nature上[1]。

兩種不同的腫瘤組織結構：背對背的腺瘤樣結構（上）和長入管腔的乳頭狀結構（下）

胰腺是一個十分重要的消化腺，位於胃的後方。它分泌的胰液，經胰導管，輸送到十二指腸。而這些輸送胰液的導管，正是胰腺癌的高發部位。

胰腺癌被稱為癌中之王，其中90%以上都是胰腺導管上皮癌變產生的胰導管腺癌[2]。胰導管腺癌惡性程度高，預後不好。過去，對它顯微結構的觀察只能依靠2維的切片，獲得的信息有限。這也導致了一些切片上的怪異形狀，幾十年來一直無法解釋。

為此，研究人員開發了一項對整個器官進行免疫染色和三維成像的技術，稱為抗體染色全器官快速光鏡分析（FLASH）技術，並用它對胰腺癌的發生過程進行了研究。

FLASH觀察到的胰腺導管樹

通過引入Kras等胰腺癌中關鍵的致癌基因突變[3]，研究人員構建了小鼠自發性胰腺導管癌模型。在所有的小鼠胰腺中，研究人員都發現了兩種病變：一種嚮導管外生長，擴大管腔，形成背對背的腺樣導管瘤變；而另一種則嚮導管內部生長，侵佔管腔，形成管腔內瘤變伴局部管腔梗阻。

在幾位胰腺癌患者捐贈的樣本中，研究人員也同樣發現了這兩種分別嚮導管內和導管外生長的腫瘤。

向外（上）和向內（下）的腫瘤，白色是導管上皮，紅色是腫瘤

進一步的研究還發現，向外生長的腫瘤能更有效的招募胰腺星狀細胞，讓它們成為腫瘤相關成纖維細胞，支持腫瘤生長，還更容易發生上皮-間充質轉化，促進腫瘤轉移。

向外生長的腫瘤惡性程度更高！

向外生長的腫瘤（上）比向內生長的（下）能更有效的募集間質細胞

紅色-腫瘤細胞，綠色-間質細胞

那到底是什麼決定了腫瘤的生長方向呢？通常來說，組織形態和細胞內部的張力與收縮性有關[4]。研究人員通過兩種細胞骨架蛋白F-actin和磷酸化肌球蛋白輕鏈（pMLC2）[5]，對導管上皮細胞中的張力進行了量化分析。

在正常的導管上皮細胞中，細胞頂部（管腔側）的張力明顯高於底部（基地側）。這樣的張力差異，對於維持導管的正常結構有重要作用[6]。但到了發生了惡性轉化的癌細胞中，細胞頂部和底部的張力差異卻消失了。

進一步研究還發現，這些細胞內部張力的變化，是腫瘤中 Kras–MEK–ERK的過度激活導致的，在類器官中抑制MEK可以部分的恢復細胞中的張力差異。

癌變周圍的正常細胞（兩側）中，反映細胞張力的pMLC2集中在細胞頂部。但在發生轉化的細胞（中間）中，pMLC2在細胞頂部和底部都大量存在

為了確認細胞張力差異消失對腫瘤生長模式的影響，研究人員根據胰管細胞的幾何形狀、管腔側和基底側的表面張力、以及細胞體積，建立了一個胰腺導管的計算機模型。

研究人員向模型中引入了一個不斷分裂的癌細胞，以模擬惡性轉化，並按照試驗數據不斷調整這些癌細胞頂部和底部的張力。

模擬結果顯示，腫瘤向內還是向外生長，主要取決於管腔直徑。以17μm為界，較粗的導管中，腫瘤向管腔內生長，而在比17μm細的導管上，腫瘤向管外生長。

模擬的和真實的腫瘤生長情況

回過頭來，研究人員測量了小鼠模型中，發生癌變的胰腺導管的直徑。與模擬結果一樣，向外生長的腫瘤都發生在直徑不足17μm的導管中，而直徑超過17μm的導管上的腫瘤，則向管腔內部生長。

正常導管上皮中，內側張力高而外側張力低，這維持了導管的正常管狀結構。而發生惡性轉化後，細胞增殖導致導管周長增大，再加上惡性細胞中維持導管結構的張力差消失，在直徑較大的導管中，發生惡性轉化的部分就會向內凹陷，形成內生型腫瘤。但如果導管直徑太小，管壁彎曲程度大，周圍正常的上皮會對腫瘤的內陷產生一個強大阻力，腫瘤則會向外生長，形成外生型腫瘤。

考慮到外生型的胰腺癌能更有效的募集腫瘤相關成纖維細胞，更易轉移，或許，發生癌變的導管直徑可以作為判斷胰導管腺癌預後的一個標誌。

導管越粗，越容易形成內生型腫瘤（藍色區域）；導管越細，越容易形成外生型腫瘤（白色區域）

除了胰腺，研究人員還在類似於肺鱗癌前體的支氣管瘤變，以及膽道瘤變中，發現了類似的上皮細胞張力變化。而且與在胰腺導管中一樣，支氣管和膽管中，也是導管直徑決定了這些腫瘤的生長方向。

Guillaume Salbreux表示：「這些數據和我們的模型都表明，腫瘤生長的兩種不同機制完全取決於系統的物理性質。和大多數癌症一樣，導管胰腺癌始於一個開始分裂的有缺陷的細胞。我們發現，當只有幾個細胞時，腫瘤已經開始向內或向外生長，這取決於導管的直徑。發現這一基本過程將有助於我們更好地理解癌症是如何在全身各處生長的。」

編輯神叨叨

竟然是組織張力和導管直徑決定了腫瘤的生長方式，還真是想不到。

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參考文獻：

1. MESSAL H A, ALT S, FERREIRA R M M, et al. Tissue curvature and apicobasal mechanical tension imbalance instruct cancer morphogenesis[J]. Nature, 2019, 566(7742): 126-130.

2. HIDALGO M, CASCINU S, KLEEFF J, et al. Addressing the challenges of pancreatic cancer: future directions for improving outcomes[J]. Pancreatology, 2015, 15(1): 8-18.

3. Zhang Q, Zhang Y, Parsels J D, et al. Fbxw7 Deletion Accelerates KrasG12D-Driven Pancreatic Tumorigenesis via Yap Accumulation[J]. Neoplasia, 2016, 18(11): 666-673.

4. Heer N C, Martin A C. Tension, contraction and tissue morphogenesis[J]. Development, 2017, 144(23): 4249-4260.

5. Clark A G, Wartlick O, Salbreux G, et al. Stresses at the cell surface during animal cell morphogenesis[J]. Current Biology, 2014, 24(10): R484-R494.

6. Heer N C, Martin A C. Tension, contraction and tissue morphogenesis[J]. Development, 2017, 144(23): 4249-4260.

本文作者 | 孔劭凡

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