3.肿瘤疾病发展的一般规律
肿瘤疾病发生发展过程中的第一大特点是，原发性肿瘤生长到一定体积后，如果要继续生长就需要血液供给。由于肿瘤组织中的血管数量很少、结构不成熟，肿瘤组织通常是缺氧缺血状态。这种缺氧微环境会影响肿瘤细胞的基因表达，随之改变肿瘤细胞的力学特性。
此外，这种缺血缺氧微环境有利于肿瘤的发生发展，因为这种环境会“淘汰”掉一部分细胞，“幸存”下来的肿瘤细胞具有更高的恶性程度和侵袭性，它们可以转移到其他部位的靶组织。近期研究报道，这种缺血缺氧微环境会促进肿瘤的发展以及对抗肿瘤治疗的耐药性。
传统的抗血管治疗策略旨在减少肿瘤的血液供给，但是这种治疗策略并没有达到预期效果，因为疗效十分有限、而且很容易出现耐药性。相反，临床证据表明：肿瘤血管的正常化会提升抗肿瘤治疗策略的疗效。肿瘤细胞进入血液系统是肿瘤转移过程的关键一步，因为肿瘤细胞一旦进入血管就可以很轻松地随着血流到达靶组织。
更重要的一点是，肿瘤血管是异质性的，有些可以模拟内皮性细胞功能的肿瘤细胞“潜伏”在血管内壁，它们很可能会“叛变”。问题的关键在于，肿瘤是不是只有在生长到足够大体积后才会“释放”高度侵袭性的肿瘤细胞，这些肿瘤细胞随后可以在其他位置形成转移瘤。
肿瘤发生发展过程中的第二大特点是，高度侵袭性肿瘤细胞如何“摆脱”原发性肿瘤进入肿瘤微环境。这些高度侵袭性肿瘤细胞的力学特性发生了改变，这种改变有助于它们侵袭进入肿瘤微环境。Notch-1激活与人类恶性肿瘤（例如胰腺癌，它的致死率极高、患者预后不良）的发生发展密切相关。
据报道，Notch信号通路在细胞增殖和细胞凋亡中发挥了重要作用。这种蛋白由Notch基因（Notch-1,-2,-3和-4）编码，这些基因与其配体（Dll-1（Delta-like1）,Dll-3（Delta-like3）,Dll-4（Delta-like4）,Jagged-1和Jagged-2）结合后激活。
Notch受体的细胞外结构域和细胞内结构域存在一定的差异，但是这些结构域的结构相同。Notch受体可以细胞内的肌动球蛋白细胞骨架连接，后者决定了细胞的力学特性。毗邻细胞间的受体-配体结合可以激活Notch信号通路。
一旦受体-配体结合激活Notch信号通路，Notch受体在一系列蛋白质水解（proteolyticcleavage）作用下释放其细胞内结构域。具体一点，释放的Notch细胞内结构域会移位进入细胞核，与Notch的靶基因（例如split-1（Hes-1）,NF-κB,cyclinD1和c-Myc的增强子基因）结合，促进其转录表达。
这些结果表明，细胞-细胞间的粘附信号可以影响基因的表达，随后改变肿瘤细胞的力学特性（例如，细胞刚性、细胞骨架重组动力学、细胞运动能力）。此外，上皮-间质转化（epithelial–mesenchymaltransition，EMT）表型的获得和肿瘤干细胞（CSC）或肿瘤干细胞-样表型的诱导均与肿瘤复发和药物耐受性相关。
上皮-间质转化会显著改变肿瘤细胞的力学特性，因为上皮-间质转化后肿瘤细胞的肌动球蛋白细胞骨架和细胞骨架的刚性、细胞-细胞间的粘附连接均显著降低，这有助细胞的转移和侵袭。此外，上皮-间质转化后肿瘤细胞的基质金属蛋白酶（MMPs）表达水平显著上调。
研究发现，这些基质金属蛋白酶可以提升肿瘤细胞在3D胶原蛋白支架中的侵袭转移能力。然而，目前尚不清楚Notch-1受体信号通路是如何促进肿瘤细胞获得上皮-间质转化表型和肿瘤干细胞自我更新能力的。多项研究发现，Notch基因在宫颈癌、肺癌、结肠癌、头颈、肾癌、急性髓系淋巴瘤和胰腺癌等肿瘤组织中均异常激活。
更具体一些，Notch-1受体和其配体Jagged-1的高水平表达与乳腺癌和前列腺癌患者的不良预后密切相关。同样，Notch-1受体过表达可以通过激活间质细胞标记物（ZEB1,CD44,EpCAM和Hes1）诱发上皮-间质转化。尤其是，CD44是一种可以与透明质酸（hyaluronicacid）结合的跨膜糖蛋白，它可以上调肿瘤细胞入侵结缔组织的能力。
此外，Notch-1受体过表达可以下调miR-b的表达水平。然而，miR-b再表达可以下调ZEB1和波形蛋白（vimentin）的表达水平，从而促使肿瘤细胞发生间质-上皮转化。由于波形蛋白是一种中间丝状体，所以细胞的力学特性同样会发生改变，这些细胞的运动能力下降。
这些研究结果表明，Notch-1信号通路激活可能会导致肿瘤细胞获得上皮-间质转化表型，这在一定程度上依赖于miR-b的表达上调和肿瘤干细胞的自我更新能力，金雀异*酮（genistein，酪氨酸激酶抑制剂）可以阻断这个生物过程。
这个实验表明，酪氨酸激酶（例如Rac-1）参与了细胞侵袭过程，因为CD44可以促进肿瘤细胞向3D细胞外基质中的侵袭。然而，Notch所介导的细胞-细胞间粘附作用降低是否是高度侵袭性肿瘤细胞“脱颖而出”的先决条件？Notch受体表达改变肿瘤细胞的力学特性是否是为了增强肿瘤细胞的侵略性（aggressiveness）和侵袭性（invasiveness）？
肿瘤发生发展过程中的第三大特点类似于达尔文进化论（Darwinianevolution），那些具有高度侵袭性的肿瘤细胞成为“优胜者”，发生转移并在原发性肿瘤的远处生存下来。
在达尔文进化模型中，肿瘤细胞的选择过程表现出稳定地基因变化。这些“获选”的肿瘤细胞数量极少，因为先前的选择压力特别大、且选择过程一般出现在肿瘤发展的末期。因此，达尔文进化模型是饱受质疑的，其他模型对肿瘤转移和发展的影响可能更大。
近期出现的新技术已经对这个传统的转移模型提出了挑战，例如高密度芯片表达分析（high-densitymicroarray-basedexpressionprofiling）、活体成像（intravitalimaging）和肿瘤侵袭性细胞的分选（collectionofinvasivecancercells）。
尤其是，这些新技术已经为诊断和治疗转移性疾病提供了新的标志物。几项研究以小鼠乳腺癌模型为对象进行了基因表达谱分析，结果显示肿瘤细胞获得转移能力主要发生在肿瘤发展的早期，而不是达尔文进化模型中所预测的肿瘤发展晚期。
因此，侵袭性肿瘤细胞的转移能力是原发性肿瘤大部分细胞编码的结果，其中涉及某些基因的瞬时表达。然而，也可以将这两个模型结合，因为在基因改变后，微环境也可能影响肿瘤细胞的侵袭和转移表型，而这个过程一般发生在肿瘤疾病的早期。
两者合并后的“新模型”称之为肿瘤微环境侵袭模型（tumormicroenvironmentinvasionmodel），即肿瘤微环境启动了特定基因的表达,这些基因可以诱导细胞运动、侵袭和转移。尤其是，肿瘤微环境侵袭模型提出，原发性肿瘤中肿瘤细胞的基因突变会改变微环境，随之上调肿瘤细胞和基质细胞的运动能力。
肿瘤微环境的改变尤其可以提升肿瘤组织中的微血管密度、炎症反应和缺氧状况。这些微环境变动会导致肿瘤细胞和基质细胞中基因表达的瞬态和表观遗传改变，类似于胚胎器官发育中微环境改变驱动形态形成（morphogenetic）细胞的运动。
此外,肿瘤微环境侵袭模型指出，微环境所引发的肿瘤细胞侵袭和转移在时间和空间上似乎是随机的，这会导致在肿瘤发展过程中不断地出现侵袭性和转移性肿瘤细胞。乳腺癌模型的活体成像技术显示，一小部分肿瘤细胞可以发生转移，不过这些肿瘤细胞在原发性肿瘤中的分布十分随机，这与肿瘤微环境侵袭模型的理论相符。
重要的是，转移瘤一般是异质性的，表明肿瘤转移并不是一种稳定的基因表型，这在一定程度上支持了肿瘤微环境侵袭模型。此外，侵袭性肿瘤细胞的基因表达谱显示，这些从原发性乳腺癌中分选的肿瘤细胞具有一种侵袭特点（基因表达模式），这种特点可以调控肿瘤细胞在体内的迁移和趋化（chemotactic）活性。
研究发现，从乳腺癌患者肿瘤组织分选得到的侵袭性肿瘤细胞可以高水平表达Mena分子。Mena分子高水平表达与乳腺癌患者的不良预后密切相关，与上述结果相符。Mena分子是一种肌动蛋白调控蛋白，它可以通过控制肌动蛋白的聚合作用影响细胞的侵袭模式。
此外，Mena分子还是肿瘤转移的预测性指标。更具体一些，在侵袭性肿瘤细胞中，Mena亚型分子对表皮生长因子（epithelialgrowthfactor，EGF）高度敏感，可以上调细胞的突出物（protrusion）形成能力和运动能力，其他Mena亚型分子的表达水平会显著下调。
此外，近期研究发现microRNAs也可以通过改变间质（stromal）细胞的基因表达情况调控肿瘤微环境的力学特性。上皮-间质转化（ECM）异常可能会改变间质细胞的行为，以及促进肿瘤-相关的血管新生和炎症反应，最终将正常微环境转化为致瘤（tumorigenic）微环境。
肿瘤发生发展中的第四大特征是肿瘤细胞的多个参数往往会相互作用并形成反馈回路（feedbackloop）以便调控肿瘤细胞在3D迁移系统中的运动情况，例如酶、收缩结构相关分子、细胞外基质结构和成分等参数。
除了细胞-细胞粘附分子外，伪足（pseudopodia）的生长与基质金属蛋白酶（例如MT1-MMP,MMP2,MMP3和MMP9）的酶消化相互作用，伪足在1D胶原纤维系统的生长情况与2D、3D系统中不同，因为细胞膜外突物和基质金属蛋白酶在3D系统中起了重要作用。
为了寻找更好的抗肿瘤治疗药物，3D培养模型成为揭示肿瘤发生发展中的信号转导通路不可或缺的平台。细胞对胶原纤维的牵拉（tractions）可能会激活基质金属蛋白酶，细胞外突物的推力、基质金属蛋白酶活性和细胞迁移之间的相互作用很可能通过一种反馈回路进行调控。
然而，肿瘤细胞在不降解细胞外组织的情况也可以进行转移，也可以产生和传递对胶原纤维的牵拉力，信号调控后细胞是如何运动的？脱落酶（sheddases）可以切断细胞-细胞外基质间的连接，这个反馈回路是否可以影响脱落酶的活性？
3.1跨越基底膜障碍
尽管目前尚未搞清肿瘤细胞跨越基底膜（basementmembrane）障碍的机制，不过这个过程是力学-主导下肿瘤基础研究的重点。侵袭性肿瘤细胞是如何从原发性肿瘤中迁移出来，又是如何穿越肿瘤基底膜的？尤其是，甚至不能确定这些肿瘤细胞来源于原发性肿瘤的内部还是外部。
只能确定都是，原发性肿瘤最外缘的细胞可能有很小的表面张力。此外，研究发现原发性肿瘤中有少量高度侵袭性的肿瘤细胞可以弱化细胞-细胞间的粘附作用，从基底肿瘤细胞层中穿过，这些基底肿瘤细胞不具有侵袭转移能力，最终穿越肿瘤的基底膜。
目前尚不清楚这些肿瘤细胞是如何获得下调细胞-细胞间粘附作用和上调细胞-细胞外基质间粘附作用这种特殊能力的。Foty和Steinberg在其综述中提出了一种“分化粘附假说（differentialadhesionhypothesis）”，组织发育过程中的组织扩散和细胞分离现象可能源于组织的表面张力，这种表面张力是细胞-细胞间粘附作用的差异性所造成的。
不过，这种表面张力（surfacetension）或其他力学特性变化是否是侵袭性肿瘤细胞获得“逃离”原发性肿瘤能力的主要因素，这有待于进一步研究。特别是，肿瘤细胞如果要通过跨内皮型转移途径进入血管，就必须先从原发性肿瘤中迁移出来。
首先，肿瘤细胞穿过基底膜。基底膜是一层薄的、连续的和致密的片状（sheet）结构，将上皮组织与毗邻的结缔组织分离开来。基底膜的主要成分是IV型胶原、蛋白聚糖（proteoglycans）和层粘连蛋白（laminin）。然后，肿瘤细胞迁移通过间质，间质的主要成分是纤维胶原蛋白（fibrillarcollagens）、蛋白聚糖和各种糖蛋白（glycoproteins）。
肿瘤细胞穿越基底膜是肿瘤转移过程中的关键步骤，因为它发生在肿瘤细胞跨膜进入淋巴管或血管之前（血管内渗，intravasation），同样也是肿瘤细胞进入靶器官的方式（细胞外渗，extravasation）。循环性肿瘤细胞（circulatingcancercells）的出现与疾病的恶性程度、转移性升高和复发时间缩短密切相关。
目前有个开放性问题，肿瘤细胞经过上皮-间质转化是否会产生更多的间质化肿瘤细胞或干细胞-样肿瘤细胞。目前已经在3D细胞外基质迁移系统中发现了多种含有“粘合体（adhesome）”蛋白的粘附结构，常见的粘合体蛋白包括黏着斑蛋白（vinculin）、桩蛋白（paxillin）和斑联蛋白（zyxin）。
有研究报道，粘合体蛋白并不会形成聚合体（aggregates），通常分散在细胞质中。然而，这些研究用的是不同类型的细胞外基质（细胞提取物或胶原蛋白I），在实验中有时将细胞混合在3D细胞外基质中，有时将细胞接种在细胞外基质的表面。这些不同实验结果产生的原因可能有以下几个。
第一，距离玻璃器皿越远、3D细胞外基质的弹性（elasticity）越大，这可能会影响细胞粘附结构的组装。第二，3D细胞外基质的组成可能影响细胞粘附结构的组装，因为在进行细胞粘附结构组装时3D胶原纤维显得太细。同样，大量的胶原纤维构件可能会缩小粘附结构组装的宽度。
此外，使用non-pepsinized或pepsinized胶原蛋白可能会影响3D培养系统中黏着斑的形成。第三，过量表达的荧光标记化（fluorescentlylabeled）-粘合体蛋白可能会影响聚集体（aggregates）的可视化（visualization）效果，这时荧光效果可能与荧光标记化-粘合体蛋白低表达时的荧光效果相同。
然而，目前并不清楚粘合体蛋白的力学特性以及粘合体蛋白在肿瘤细胞穿透基底膜过程中的发挥了何种作用。特别是，粘合体蛋白力学特性对3D微环境中黏着斑形成的影响
3.2细胞以整合素依赖性模式和起泡模式侵袭结缔组织
细胞迁移是一个多步的过程。纤维状肌动蛋白（F-actin）在侵袭性细胞的前缘聚集，向外推动细胞膜形成突出物（protrusion），突出物会借助整合素（integrin）家族的跨膜受体锚定在细胞外基质，并借助黏着斑（focaladhesion）蛋白与肌动球蛋白细胞骨架发生偶联。
肌球蛋白（myosin）II通过压缩肌动蛋白网络产生收缩力，然后整合素将内部的收缩力传递下去。收缩将逆行牵拉力（retrogradepullingforces）施加到整合素上，从而促进整个细胞向前运动。特别是，细胞的整合素组成决定了这种细胞在迁移时粘附-驱动模型可以使用哪种类型的基底（substrate）。
基底-特异性粘附和细胞迁移之间的联系限制了侵袭性细胞预设粘附模型的使用。这个过程似乎是细胞精确移位（trafficking）和准确定位必不可少的，不管是组织生长还是再生，或者是肿瘤疾病和炎症反应。
另一种细胞迁移模式是细胞膜起泡模式。侵袭性细胞的前缘在肌球蛋白（actomyosin）-驱动型收缩力的作用下，可以突出形成一个不含肌动蛋白的细胞膜泡状物，或是一个富含肌动蛋白的伪足（pseudopodium）。在侵袭性细胞的前缘，聚集的肌动蛋白会将细胞膜向外推。
如果扩张的肌动蛋白网络受到一种逆行的反力，微丝的向外推动就会造成细胞膜的外突，这种逆行的反力一般由整合素（integrins）提供。更具体一点，趋化性树突细胞（chemotacticdendriticcells）可以通过切换整合素-依赖性和整合素-非依赖性迁移模式适应基底（substrates）的粘附特性。
当整合素-肌动蛋白离合器（clutch）一旦开启，肌动蛋白聚集就会转化成突出物（protrusions）。然而，整合素-肌动蛋白离合器一旦关闭，肌动蛋白就会滑落，从而产生逆行的肌动蛋白流。此外，为了维持细胞形状和保证突出物形成的速度，可以通过肌动蛋白聚集平衡逆行的肌动蛋白流。
最后，这种现象表明：在聚合动力学（polymerizationdynamics）的适应性反应中，侵袭性细胞并不一定循着粘附性基底（adhesivesubstrates）的特定方向进行转移。然而，可溶性趋化因子的浓度梯度才是细胞转移方向的导向标，它可以指导侵袭性细胞转移到任何类型的组织中。
3.3跨内皮型转移
细胞可以迁移通过狭小的空间，这是多种疾病发生的关键步骤。例如，在炎症反应和免疫反应中，白细胞可以穿透血管或淋巴管的内皮细胞内壁进入发生炎症的组织。在此过程中，最大的难题是间期（interphase）细胞的细胞核很大且很难发生变形，这在一定程度上限制了细胞通过变形穿越狭小空间的能力。
图6.细胞的跨内皮转移（thetransendothelialmigration）过程中的空间限制。细胞核的力学特性（例如变性，deformation）在跨内皮转移中起了重要作用。细胞的其他力学特性同样发挥了重要作用，例如细胞的刚性和易变性（cellularstiffnessorfluidity），微丝（microfilaments，MF）、中间丝（ntermediatefilaments，IF）和微管（microtubuli，MT）的细胞骨架重塑动力学（cytoskeletalremodelingdynamics）。另一个重要的力学特性是细胞可以产生和传递收缩力（contractileforces）。在跨内皮转移过程中，细胞会形成丝状伪足（filopodia），伪足可以感知微环境的力学特性，并帮助细胞在内皮细胞内壁上寻找合适的跨内皮转移位点。
这个过程似乎涉及了细胞的力学特性，例如细胞核的刚性、细胞的刚性、细胞骨架重组动力学（cytoskeletalremodelingdynamics）、收缩力（contractileforces）的产生和传递（如图6所示）。跨内皮转移细胞的力学特性改变包括微丝、中间丝和微管的重建。
不过，这三种细胞骨架成分对肿瘤细胞和“屏障”内皮细胞力学特性的影响到底有多大？目前，中间丝（intermediatefilaments）已经成为生物物理学研究的重点，研究发现中间丝可以与肌动球蛋白（actomyosin）细胞骨架相互作用，从而调控细胞的运动能力。
4.肿瘤发展的物理学视点
到目前为止，还有很多关于肿瘤的物理学问题没有解决。这可能会大家影响对肿瘤发生发展的理解，使得肿瘤疾病和肿瘤转移发生机制的深入研究难以进行。
目前尚未解决的问题如下所示。（1）收缩力（contractileforces）在肿瘤细胞穿越细胞外基质和血管内壁（endotheliallining）过程中起了何种调控作用？（2）高度侵袭性肿瘤细胞的力学刚性（mechanicalstiffness）在肿瘤细胞迁移速度和跨内皮转移（transendothelialmigration）效率中有何种影响？
（3）内皮细胞相互作用的力学特性在肿瘤细胞跨内皮转移和组织侵袭中起了何种作用？（4）巨噬细胞及其释放的细胞因子可以影响肿瘤细胞和内皮细胞的力学特性，这是否会硬性肿瘤细胞的侵袭能力？（5）肿瘤细胞微环境的力学特性对分选高度侵袭性肿瘤细胞具有何种影响？
从一个物理学家的角度分析，肿瘤的发生发展是一个由力学驱动的生物过程，这会影响肿瘤细胞的生物化学信号通路。例如，细胞力学特性变化可以激活信号转导通路，但是并不了解其具体的作用机制。
为了研究肿瘤发生发展和转移的力学特性，物理学主导肿瘤研究的关键在于分选具有高度侵袭性和转移性的恶性肿瘤细胞。肿瘤转移是一个分步过程，原发性肿瘤中仅有少量细胞具有转移潜质。尤其是，肿瘤细胞需要经历“逃离”原发性肿瘤、穿透肿瘤包膜、转移进入微环境（例如肿瘤间质）、穿越血管内壁进入血液、转移到靶组织等一系列过程，才能形成继发性肿瘤。
肿瘤细胞的力学特性在这些过程中起了重要作用。除了细胞侵袭性升高、细胞形态变化、细胞骨架结构和生物物理学特征外，肿瘤细胞还可以通过重塑和改变其微环境促进肿瘤的发生发展和转移，例如改变微环境的刚性和空间位阻（sterichindrance）。
此外，研究发现在肿瘤疾病的发展过程中肿瘤微环境并没有产生不利的隔室（