开发用于恶性评估的人类肿瘤组织的虚拟生理模型

为什么挤压肿瘤很重要

当我们想到癌症，通常会想到失控生长的异常细胞。但肿瘤也是物理实体，会推、拉并挤压周围组织。那些看不见的力可以影响肿瘤是相对受限还是会变得致命且难以治疗。本研究构建了真实人类乳腺肿瘤样本的详尽“虚拟孪生体”，以测量组织内部的应力如何与肿瘤危险性相关——而无需直接在患者身上做实验。

从活检切片到数字孪生

研究人员从类似病理学家日常检查的小块乳腺组织活检开始。除了常规染色外，他们采用傅里叶变换红外（FTIR）显微镜读取组织的化学指纹。借助机器学习，图像中的每个像素被分类为六类成分之一：恶性细胞、非癌细胞、几种类型的支持组织（基质）以及其他成分。定制软件随后将这些二维图像转换为叠层，构建出每位患者组织的三维地图，精确保留样本中不同区域的复杂拼布结构。

将组织转化为物理模型

为研究这些结构在受力时的行为，团队将三维地图转成基于粒子的计算模型。每一小块组织由具有力学性质（如刚度和密度）的相互作用粒子表示，这些参数源自先前对乳腺组织的测量。使用称为平滑粒子流体动力学的方法，他们模拟在组织一侧施加温和、符合生理的压力而另一侧被固定时发生的情况。这使他们能够计算十二个不同患者样本中各成分如何传播应力和应变——即组织被挤压和变形的程度。

虚拟肿瘤揭示的结论

模拟显示肿瘤承受的应力并不均匀。恶性区域被分割成许多小而分散的岛屿的样本，比起恶性区域形成较大、连续斑块的肿瘤，局部应力更高。周围组织类型也表现出相同模式：任何成分的小而不连通的斑块往往承受比广泛、连续区域更高的负荷。邻近关系也很重要。当一个刚性区域邻近明显更软的区域时，两者都经历了升高的应力，而被相似刚度组织包围的簇体应变较小。在某些情况下，即便被归类为正常的样本，只要结构高度混杂、呈马赛克状，其应力水平也可与明显恶性的组织相当。

可能推动组织走向癌变的力

这些内部应力并非微不足道。在最不均匀的组织中，预测的压缩应力达到了此前实验显示能促使健康细胞朝恶性行为转变的水平，影响它们的生长、迁移或凋亡。更刚性的恶性区域往往比更软的邻域变形更少，但它们会促成邻近成分的应力聚集。模型还追踪了不同组织区域表面积随时间的变化，显示小而不连通的成分不仅感受到更高的应力，还发生更大的形状变化，这可能进一步扰乱局部环境。

走向肿瘤个体化的机械指纹

通过将真实活检图像与详尽的物理模拟相连接，该研究提供了乳腺肿瘤“虚拟生理”概念验证。结果表明，肿瘤的构造——是否斑驳、每个区域的大小以及哪些组织相互接触——强烈塑造了作用其中的机械力。这些力反过来落在已知可促进恶性转化和治疗耐受性的范围内。未来，类似的数字孪生体可能有助于识别表面看似正常但在机械上受压的高风险组织，或在制定治疗方案时，除了基因学信息外，依据肿瘤独特的机械指纹提供个性化指导。

引用: Arbabi, S., Vincent, H., Hansen, E. et al. Developing virtual physiology of human tumor tissue for malignancy assessment. npj Precis. Onc. 10, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s41698-026-01316-1

关键词: 乳腺癌, 肿瘤力学, 数字孪生, 肿瘤微环境, 计算肿瘤学