原子力显微镜在异质性癌症球体表征及其与微塑料颗粒相互作用中的作用

为何癌组织的“手感”很重要

对癌症的描述通常侧重于基因和异常细胞，但组织的物理属性——比如软硬程度——同样影响肿瘤如何生长并与周围环境相互作用。本研究考察了小型三维肺癌细胞簇（称为球体），并提出两个实际问题：是否可以使用高分辨率的触觉显微镜可靠地测量这些微型肿瘤的刚度？以及这种刚度是否会影响它们与可能到达肺部的空气中微塑料颗粒的相互作用？

在实验室构建微型肺肿瘤

为了模拟真实肿瘤的复杂组成，研究人员将六种人肺癌细胞系与支持性成纤维细胞、有时还有类似免疫细胞的巨噬细胞混合培养，形成混合球体。他们测试了多种形成这些簇的方法，最终选择了能可靠产生圆形、稳定且便于操作的低粘附培养板。通过调整细胞数量和比例，研究团队制备了小型和较大型球体，并选定了在所有癌细胞类型中都能稳定工作的标准配方。

观察内部结构并检查细胞健康状况

球体形成后，研究组使用各种染色和切片方法检查其内部结构和细胞行为。薄切片显示，某些癌细胞组合形成非常紧密的球体，而另一些则较为松散、带有更多空隙。成纤维细胞往往倾向于聚集在中心，尤其是在大多数细胞系组合中，而癌细胞则更多集中在外层。活/死染色呈现出真实肿瘤中常见的模式：外围营养充足的活细胞，以及低氧核心中更多受损或濒死的细胞。标记DNA以检测细胞分裂的实验表明，对于大多数球体，整个结构内的细胞仍然能够增殖，尽管有一株癌细胞系（Calu‑3）主要在外缘发生分裂。

用纳米级探针测量刚度

为将质地转化为数字，科学家们使用了原子力显微镜：一根极小且锋利的探针轻压在球体表面并记录压痕深度。由此计算得到杨氏模量，这是一种标准的刚度度量。尽管各球体尺寸相近，但其刚度随所含肺癌细胞系差异显著。含A549细胞的球体属于较软的一类，而含H23或HCC827细胞的球体明显更硬。加入巨噬细胞通常使若干癌型的球体刚度增加。当团队将这些值与原始癌细胞在平板培养中的生长速度进行比较时，发现分裂较慢的细胞倾向于形成更坚硬的球体，将生长行为与机械特性联系起来。

测试与微塑料的接触

鉴于在肺肿瘤中检测到微小塑料碎片，研究人员随后将荧光聚苯乙烯颗粒（直径约一微米）暴露于球体，浓度与在人类血液中检测到的水平相似。在静置条件下，颗粒易聚集并不均匀地粘附在球体的一侧，因此研究组改为轻轻摇动样品，以更好地模拟体内流动的液体。在这些动态条件下，仅有少量单个颗粒附着或进入外层细胞，数量太少而无法精确计数。于是团队再次转向刚度测量。暴露后，许多类型的球体略微变硬，符合刚性塑料微粒附着或卡在表面的解释，但这种变化并未显示出与球体原本刚度之间的简单直接关联。

对未来癌症与污染研究的意义

该研究表明，刚度是描述这些三维癌症模型的一个有价值的补充参数，即便它们在尺寸和形状上看起来相似。细胞在球体内的排列方式以及分裂速度仅能部分解释这些机械差异，这表明刚度捕捉到了肿瘤生物学中未被直接观察到的方面。尽管此项研究并未在现实粒子浓度下找到将球体刚度与微塑料摄取直接关联的简单规则，但它强调在温和、流动条件下，只有少量此类颗粒可能会附着于类肿瘤组织。长期来看，将精细的刚度测量与更灵敏的颗粒追踪方法结合，可帮助研究人员更好地预测肿瘤对抗癌药物以及进入肺部的环境污染物的响应。

引用: Kolesnik, T., Öhlinger, K., Absenger-Novak, M. et al. Role of atomic force microscopy in characterization of heterotypic cancer spheroids and their interaction with microplastic particles. Sci Rep 16, 8303 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39445-z

关键词: 肺癌球体, 原子力显微镜, 细胞刚度, 微塑料, 肿瘤微环境