癌病變（5）：淺談癌症物理學

文：張國柱（Chang，KC）

        台大退休教授

 

日期：2023/04/16

 

談到癌症，學界總是將它視為「基因的疾病」。自 1953 年 Watson 和 Crick 發現 DNA 為雙螺旋結構且帶有基因密碼的分子後，生物化學以及分子生物學在 1950、1960 年代確認了個別基因的功能以及它們調控分子訊息逐層傳遞反應的作用。1970 年代學界致力於尋找造成人類癌症的反轉錄病毒（retroviruses），然而大多數的病例並無法確認此病毒的存在。話雖如此，學界依然有了重大的進展，那就是致癌基因（oncogenes）和原致癌基因（proto-oncogenes）的發現：這些基因的過度表現、突變或被反轉錄病毒所控制，都有能力驅動惡性細胞的增殖（proliferation）。隨後的年代，學者發現癌症在分子尺度的複雜性愈來愈明顯，癌症的發展牽扯到多重步驟而非基因單點突變那麼單純。2000 年學界提議了六點癌症典型標誌，作為人類所有腫瘤共同的生物特徵，那就是生長訊息的自給自足、生長抑制訊息的不敏感性、細胞程序性死亡（programmed cell death）的規避、細胞無限制的複製能力、持續性的血管新生（angiogenesis）、組織侵襲（invasion）。這些標誌呈現了癌症發展的兩個重要面向：基因具有多樣性和不穩定性，能夠促進炎症進程（progression），強化癌細胞侵犯和轉移的潛能。

 

物理科學-腫瘤網絡（The Physical Sciences-Oncology Network，PS-ON）的成立

然而癌症不僅僅是分子生物學所處理的細胞病變，同時也是統合腫瘤生存微環境的疾病。腫瘤發展的過程，癌細胞能夠影響它所生存的微環境，而腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME）也能夠影響癌細胞的生存。因此除了隨時空（spatio-temporal）而變的生物分子和非有機分子能夠影響癌細胞的生存外，癌細胞的生存亦取決於 TME 複雜的力學應力（mechanical stress）以及細胞-物理力學之間的交互作用。癌細胞能夠布署、塑造適合於腫瘤生存與發展的微環境，包括胞外基質（extracellular matrix，ECM）重塑、血管新生、胞外酸化以及所衍生的物理力學。因此美國國家癌症協會（National Cancer Institute，NCI）在 2009 年成立了 PS-ON，確認了「物理科學原理與技術的應用有益於癌症的研究。」 PS-ON最初探究的四大主題為癌症的物理定律與原理、癌症的進化與進化理論、癌症的編碼、解碼、轉換和訊息轉譯、癌症的複雜性。這些領域後來擴展成癌症物理力學和癌症的時空架構與訊息轉換。

 

這個跨領域主要的研究議題有：（1）使用物理科學的技術，測量從分子、細胞乃至於腫瘤組織關鍵性影響癌細胞生存的生物物理力學。這些物性（physical properties）是細胞惡性轉變與腫瘤成長的重要「因（causes）與果（consequences）」，對癌症生物學的理解與癌病治療很重要；（2）以數學為基礎的理論家和以實驗為基礎的實驗家共同緊密合作，完成定義系統的第一原理（first principle）或根本原則，探究物理力學及微環境因子在癌細胞生長過程所扮演的重要角色。因此PS-ON 的成立使得 CSBC（Cancer Systems Biology Consortium）之聲言（透過實驗生物學、計算機模擬、多次元資料分析與系統工程的結合，挑戰腫瘤的複雜性）更加落實。

 

癌細胞與腫瘤微環境的物性

癌症雖被視為基因變異的狀態，然而腫瘤所處的微環境同等重要，因為異常的物理環境亦有驅動疾病進展的能力。事實上腫瘤比正常組織來得僵硬，並顯現異常的運輸狀況和不同於正常組織的營養代謝。TME 重要的物理特性包括多樣化且複雜的三次元（3-Dimensional，3D）結構、高血管滲透性、高固態應力（solid stress）/血管壓縮、高 ECM 密度、高組織間隙壓（interstitial fluid pressure，IFP）和低灌流（hypoperfusion）。

 

癌細胞能夠以傷害宿主細胞為代價，主動塑造有利於它生存的環境。這種改變並非靜態，而是「生態與進化相互影響」所導致「癌細胞狀態（state）與宿主響應（response）」彼此之間，互不相容的動態改變。對個別細胞而言，乳癌上皮細胞株培養實驗顯示細胞之力學可變形性（mechanical deformability）、細胞質黏滯彈性（viscoelasticity）、細胞牽引力（traction force）、對酸和缺氧應力的響應，都存在著相當大的差異性。當癌細胞與 TME 交互作用使得細胞受到環境物性變化的影響，癌細胞的物理行為可進一步改變，導致侵襲和轉移的顯型表現。此外當細胞通過 ECM 孔洞（由纖維蛋白、糖蛋白、蛋白聚糖所形成的複雜網絡）而受到壓擠時，腫瘤細胞的物性也隨之改變，這就說明了腫瘤的惡性潛能與個別細胞的行為和 TME 的物性相關聯。

 

接下來的議題是如何揭露腫瘤受 TME 物理力學的影響，並確認癌細胞避開物理壓縮的遷移模式。利用組織工程（tissue engineering）和微細加工技術（microfabrication technologies）呈現與生理相關的 3D 腫瘤模型結構，不只可以探究腫瘤的生物本質，亦可知悉腫瘤的物性。特別是微工程培養模型、先進影像技術和精準醫療的整合，可以讓研究人員更進一步了解物理微環境、癌細胞和基質細胞之間的功能性耦合或交互作用，提供擬定個別病人未來治療策略的參考。然而企圖透過溼實驗室（wet lab）的整合，達到廣泛理解活體内癌細胞所處微環境的複雜程度，著實不可行。想要深入了解 TME 的複雜性，多尺度計算模型（multi-scale computational model）的建構，可讓研究人員以宏觀的角度量化、預測細胞與其微環境的物性耦合。反覆地整合此類模型與實驗方法，可讓科學家更深入地探討腫瘤的惡質異質性與 TME 之間相互的干擾，並考量其功能性的後果。

 

癌症物理學與假說驅動的數學模型（hypothesis-driven mathematical model）

幾世紀以來，物理學家慣於使用數學預測、量化物理世界所觀察到的事物與現象，然而面對多樣性的生物界，生物學家總是聚焦於觀察、敍述與分類的科學傳統和研究範例。不可諱言，沒有實驗數據支持的數學模型少有實用價值，同樣地僅有數據的累積而缺乏數學操作（operation but not manipulation），價值同樣受限。因此結合生物分子研究與假說驅動的數學模型，可以提供組織與理解資料的理論架構，導向新的實驗模式。

 

以固態腫瘤而言，細胞-ECM 系統與腫瘤微環境的演進，應以物理學的角度來思考。演進的重要特徵在於它能夠充分描述異常細胞的生長與環境因子的耦合，建構有利的、合宜的生存與成長的微環境。ECM 是組織網絡的架構者，給予成簇細胞的結構支撐和力學強度。由各式各樣具特殊功能的非擴散性基質分子（如fibronectin、collagen、elastin、laminin）所組成的 ECM，可扮演支撐新細胞的架構，促進癌細胞的生長。ECM 亦能透過對微環境的改變而調控細胞的遷移。多尺度數學模型（請見附錄）可模擬血管網絡的重塑、網絡的血流、腫瘤的進程等非線性耦合，探討腫瘤對宿主細胞的侵襲。癌細胞-ECM 系統的演進所造就的物理效應（應力的產生、ECM 的降解與血管網絡的重塑）對腫瘤進程的影響，可透過數值模擬（numerical simulation）進行分析，其生物物理參數包括細胞活動性（cell mobility）、細胞-細胞與細胞-基質之黏著力（adhesion）、細胞尺度、ECM 密度、腫瘤細胞之遷移、增殖與壞死、腫瘤血管新生因子（tumor angiogenic factors，TAF）、力學相關之血流⋯⋯等等。多尺度數學模型的建立與分析有助於科學家進一步理解固態腫瘤的成長、侵襲與血管新生之間交互作用的脈絡與生物物理效應。

 

結語

生物分子機制與物理力學能夠調控複雜且異質性高的惡性腫瘤組織與架構。癌症不僅僅是分子生物學所理解的基因病變，也是統合腫瘤生存微環境的疾病。腫瘤發展的過程，癌細胞能夠影響它所生存的微環境，而腫瘤微環境也能夠影響癌細胞的生存。腫瘤微環境結構的演進，能夠造成力學應力的產生、ECM 的降解與血管網絡的重塑，這些變化對腫瘤進程的影響應以物理的角度來思考。利用組織工程和微細加工技術所呈現的 3D 腫瘤結構模型，不只可以探究腫瘤的生物本質，亦可知悉腫瘤的物性。此外結合生物分子研究與假說驅動的數學模型，可提供組織與理解資料的理論架構，導向新的實驗模式。多尺度數學模型的建立與分析，有助於科學家進一步探究固態腫瘤的成長、侵襲與血管新生之間交互作用的脈絡與生物物理效應。因此癌症物理學的建立可以彌補癌症生物學的不足，共同為對抗癌症而奮鬥。

 

附錄

癌細胞和它賴以生存的微環境彼此之間的關係非常複雜，因此多尺度數學模型的建立必須能夠反應 TME 重要的生物物理特性。多尺度數學模型包括（1）腫瘤侵襲模型（the model of tumor invasion）、（2）腫瘤誘發血管新生模型（the model of tumor-induced angiogenesis）。今僅就模型建構之概念簡述如下：

 

（1） 腫瘤侵襲模型

異質性組織之腫瘤成長模型，必須能夠說明空間相依之細胞壞死（necrosis）、細胞凋亡（apoptosis）、細胞-細胞和細胞-基質黏著力、基質降解、細胞遷移等生物物理特質。腫瘤侵襲模型之數學基礎為描述這些程序的連續體反應-擴散方程式（continuum reaction-diffusion equations）。

 

（a）營養物質的運送。由於氧的擴散速度比細胞有𢇁分裂的速度來的快，因此養分的運送步驟能夠以近似穩態反應-擴散方程式表示。

 

（b）腫瘤力學和細胞速度。能夠造成細胞速度塲（velocity field）之作用力的組合，都可以影響腫瘤細胞、ECM 和宿主非癌細胞的物性。增生性細胞所產生的滲透力學壓（oncotic mechanical pressure），也就是靜水應力（hydrostatic stress）能夠對 ECM 和宿主細胞施加作用力，使得細胞有能力克服細胞-細胞、細胞-ECM 黏著力而遷移。ECM 能夠利用變形、降解和重塑以回應來自細胞的壓力，而細胞也可以對ECM 的黏著梯度作出回應。腫瘤力學可用Darcy's law 加以描述：細胞速度與作用力成正比例關係。

 

（c）腫瘤與 TME 的交互作用。ECM 密度代表非擴散性基質分子（fibronectin、collagen、elastin、laminin⋯⋯等）之密度，為固態腫瘤外圍支架的結構基礎。由於腫瘤細胞必須克服細胞-基質黏著力方能通過孔洞而遷移，因此腫瘤與其微環境的耦合可造成 ECM 的重塑，以利癌細胞的遷移。ECM 的重塑可透過下列方式進行：（一）MDE和 ECM 分子的釋放、（二）非固定不變的細胞移動以回應壓力和 ECM 的黏著梯度。使用趨觸性係數（haptotaxis coefficient）將此效應納入考量，可簡化系統的複雜性。趨觸性係數為 ECM 密度的非單調函數。

 

註：MDE = matrix degrading proteolytic enzymes

 

（d）腫瘤血管新生因子。缺氧狀態時，腫瘤細胞能夠釋放 TAF，並藉由擴散方式進入鄰近組織，吸引內皮細胞（endothelial cells，EC）與之結合。當 EC 與 TAF 相結合，EC 便可順著 TAF 梯度進行增殖。TAF 的擴散係數與氧的擴散係數非常相似，因此可用穩態反應擴散方程式將TAF 之產生、擴散、衰變、結合，納入模型考量。

 

（2） 腫瘤誘發血管新生模型

如前所述，TAF、ECM 與內皮細胞膜上特定的受體結合，可觸動細胞遷移體系的活化。當腫瘤處在無血流、無血管重塑時，EC 的遷移和湧向腫瘤所形成的微血管是建立基本網絡模型的基礎。

 

（a）基本網絡模型。模型假設 EC 是經由如下之方式而遷移：（一）隨機活動力、（二）對腫瘤所釋出 TAF 的趨化性（chemotaxis）反應、（三）對 ECM 梯度的趨觸性（haptotaxis）反應。EC 的遷移和微血管的形成所導致腫瘤血管網絡的建立，能夠提供癌細胞後續發展所需之養分。

 

（b）發展中微血管網絡的血流模型。血液是複雜的多相介質，含有許多不同的組成，包括紅血球、白血球和血小板。這些固態相元素（主要是紅血球）幾乎佔了血液總體的 45%，由血漿（流體液相）所運載。由於血液除了血漿外，亦含有血球，那麼有效黏滯度（apparent viscosity）將大於單純血漿之黏滯度。有效黏滯度是血球力學特性的函數，與血球聚集於、附著於 EC 有關。有效黏滯度並非常數，因此微循環之血壓-血流關係非常複雜。為簡化起見，可用類似 Poiseuille law 表示，非牛頓液（non-Newtonian fluid）之黏滯度則以有效黏滯度取代。

 

（c）微血管的順應與重塑。血液的流變特性和微細血管的網絡重塑，彼此相互關聯，這是因為血流可對管壁產生應力（stresses），包括剪應力（shear stress）、擴張壓（distending pressure）和拉伸應力（tensile stress）。這些應力可導致血管内徑的舒張或收縮，以順應血液的流變性質。然而血液的流變性質（如血液黏滯性和血容比值）亦可受到嶄新血管網絡結構的影響。因此細胞的遷移和血流模式彼此相互耦合，顯示順應性的血管新生是個動態程序。由於管壁剪應力在微血管網絡的成長與分枝扮演主導的角色，因此模型的實踐應將局部剪應力和 TAF 濃度的組合效應納入考量。