麻省理工学院和其他地方的工程师已经追踪了最初良性肿瘤中单个细胞的进化，显示了这些细胞的物理特性如何驱动肿瘤变成侵袭性或转移性。

该团队对实验室中开发的人类乳腺癌肿瘤进行了实验。随着肿瘤的生长并在约两周的时间内聚集更多的细胞，研究人员观察到，肿瘤内部的细胞小而僵硬，而外围的细胞则软且肿大。这些较柔软的外周细胞更易于伸展到肿瘤以外，形成“侵袭性尖端”，最终分裂为散布到其他地方。

研究人员发现，在肿瘤边缘的细胞比在中心的细胞更柔软，因为它们所含的水分更多。肿瘤中心的细胞被其他向内挤压的细胞包围，这些细胞通过它们之间称为缝隙连接的纳米级通道，将水从内部细胞中挤出并进入外围的那些细胞中。

麻省理工学院机械工程学助理教授郭明说：“您可以像海绵一样想到肿瘤。”“当它们长大时，它们会在肿瘤内部建立压应力，这会将水从核心挤压到外部的细胞，随着时间的流逝，它们会慢慢溶胀并变软，因此它们更有能力入侵。”

当研究小组对肿瘤进行治疗以从周围细胞中吸水时，细胞变得僵硬，形成侵入性尖端的可能性降低。相反地​​，当它们用稀释液充满肿瘤时，相同的外周细胞膨胀并迅速形成长而分支状的尖端，侵入周围环境。

研究小组在《自然物理学》杂志上发表的研究结果指出了一种新的癌症治疗途径，其重点是改变癌细胞的物理特性以延缓甚至阻止肿瘤扩散。

郭的合著者包括主要作者和麻省理工学院的博士后韩玉龙，以及麻省理工学院的徐国强，谷子晨，孙家伟，郝浩,、 Staish Kumar Gupta，李以为和唐文辉。哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的Adrian Pegoraro和Yuan Yuan;中国科学院慧里;北京首都医科​​大学的李开复，康华和滕良宏;波士顿哈佛公共卫生学院的杰弗里·弗雷德伯格(Jeffrey Fredberg)。

细胞镊

科学家怀疑，从主要肿瘤中迁移出来的癌细胞之所以能够这样做，部分原因是它们具有更柔软，更柔韧的特性，从而使它们能够通过人体的迷宫式脉管系统进行挤压，并远离最初的肿瘤进行增殖。过去的实验显示了单个癌细胞具有这种柔软的迁移特性，但是Guo的研究小组是第一个探索细胞刚度在整个发展中的肿瘤中的作用的人。

郭说：“人们长期以来一直关注单细胞，但是生物是多细胞的三维系统。”“每个细胞都是一个物理基础，我们对每个单个细胞如何调节自身的物理特性感兴趣，因为这些细胞会发展成肿瘤或器官等组织。”

研究人员使用最近开发的技术在实验室中以3D方式生长健康的人类上皮细胞，并将其转化为人类乳腺癌肿瘤。在接下来的一周中，研究人员观察了细胞的增殖并融合为良性原发肿瘤，该肿瘤由数百个单个细胞组成。研究人员在一周中的数次中注入了越来越多的带有塑料颗粒的细胞。

然后，他们用光镊子探测每个细胞的硬度，这项技术使研究人员将高度聚焦的激光束对准细胞。在这种情况下，该团队在每个单元格中的塑料粒子上训练了激光，将粒子固定在适当的位置，然后施加轻微的脉冲以试图将粒子移动到单元格中，就像使用镊子从中取出卵壳一样周围的蛋黄。