力学信号对肿瘤细胞群迁移过程中与上皮细胞竞争的调控

During tumor invasion and metastasis, cancer cells compete against surrounding normal cells. Mounting experiments have shown that cells can sense mechanical signals and respond to them and the underlying mechanisms are hot topics under investigation. This project plans to study effects of mechanical signals on the competition between cancer cells and epithelial cells during migration. Mechanical signals include substrate elasticity, geometrical constraints, and varied mechanical loads. Focus will be on the adhesion between cancer cells and epithelial cells, polarity of cancer cells, cancer cell migration, multiplication of cancer cells, etc. This project will combine experiments and theory at several scales. With a multi-scale approach, this project aim to understand the competition between cancer cells and epithelial cells during migration, which may provide important insights into to cancer development and therapy.

在肿瘤侵袭与转移过程中伴随着肿瘤细胞的迁移以及与周边正常细胞的竞争。大量实验表明细胞能够感知力学信号并能够作出响应，其相应机理也是当前研究的热点问题之一。本项目中拟研究力学信号对肿瘤细胞群迁移过程中与上皮细胞竞争行为的调控及其相应的机理。所要考察的力学信号包括基体的弹性、几何约束或者外加的多种载荷，关注在竞争过程中肿瘤细胞与上皮细胞之间的粘附、肿瘤细胞群的极化、肿瘤细胞群的迁移、肿瘤细胞群与成纤维细胞群的凋亡等等。本项目中将综合运用实验与理论建模，在多个尺度上开展实验研究，建立相应的模型，运用多尺度的方法探索力学信号对肿瘤细胞群与上皮细胞竞争行为的影响。我们的研究成果可为理解癌症发展与治疗提供有意义的参考。

大量实验表明生命体在多个尺度上能够感知力学信号并能够作出响应，其相应机理也是当前研究的热点问题之一。本项目综合运用实验与理论建模，在多个尺度上开展研究，建立相应的理论模型，研究了力学信号对生命体行为的调控及其相应的机理。项目主要研究内容包括：单个Formin分子的扭矩释放对细胞手性的影响；单根肌纤维被动力学理论模型；由微观力学调控的生命物质生长的本构理论；具有分支拓扑结构的DNA链上分子马达的协调运动；结构不稳定性对细胞硬度趋向性的影响等。由于肿瘤细胞与正常细胞竞争过程中也涉及力学信号，本项目研究成果有助于理解力学信号对肿瘤细胞与正常细胞竞争的影响，可为探索力学信号在癌症发展与治疗的作用提供有意义的参考。.重要成果主要有：1) 探索了Formin分子扭矩松弛对细胞手性的影响。分析表明，当Formin分子通过周期性正负旋转来释放扭矩，细胞几乎不会旋转；当其在正负旋转之间随机切换来释放扭矩，细胞只能略微逆时针或顺时针旋转；当其通过暂时松开其与膜的接触来释放扭矩时，细胞可以显著逆时针或顺时针旋转，与实验一致。我们的研究表明Formin分子的扭矩释放方式会高度影响细胞旋转；2)基于肌节单元内titin的分子结构，建立了单根肌纤维的被动弹性本构理论，基于该理论所预测的应力-应变的曲线与实验一致，我们的理论可有助于肌肉疾病中被动弹性表现异常的分子诊断；3)通过在水凝胶网络中引入以金属离子为中介的协同动态反应，设计出高性能水凝胶，基于分子层面的离子动态效应和蠕虫链模型，结合代表性八链单元模型，发展了新型水凝胶的本构模型，研究表明该杂合子水凝胶的良好刚性与恢复性是来自于离子协同动态效应，而非仅仅来自于单个离子键的作用。