癌症是一种致命的疾病,导致其致命的最主要原因是癌细胞的扩散转移,本位灶或转移灶生长于致命部位导致机体生命危机,所以对于癌症治疗的研究也是人类关注的重大课题。随着各学科的不断完善与相互交融,各学科已经不再是单独的存在,而是通过碰撞产生不一样的火花,而对于癌症的研究也早已不局限于医学家或生物学家,关于癌症的研究模型也不再仅限于小白鼠等的活体实验。癌症治疗的体外实验模型渐渐登上历史的舞台,从此成为癌症研究的重要工具,甚至在近几年看来引领了一场“器官芯片”的研究热潮。单个癌细胞直径大概是20μm,这样的介观尺度决定了癌症研究的体外模型离不开微加工技术,各种精密的微加工技术也应运而生,如光刻技术、软刻蚀技术、光固化技术、化学固体技术、微流体技术等。随着微加工技术的不断发展,多种多样的癌症研究的体外模型也相应出炉,做出了大量关于癌症研究的成果,该部分在正文第2章有详细阐述。特别是为体外三维(3-D)细胞外基质(ECM)模型的构造起了举足轻重的作用。生物体内的癌细胞是处于三维基质环境中的,所以传统的二维表面培养模型已经远不能满足人们研究癌症的需求,而癌细胞的准三维和三维体外培养模型也随着微加工技术的快速发展应运而生。准三维和三维体外培养模型与二维体外培养模型最大的差别就在于细胞外基质(ECM),二维培养系统中没有ECM,而是将细胞直接粘附在器皿的表面,之后加入培养液,如将细胞培养在培养皿中;而准三维或三维培养系统则是在为细胞提供了其生长增殖必须的培养液以外,还为其设置了环绕癌细胞的ECM,准三维或三维培养环境更接近于生物体内的真实环境。本课题在认真了解了人体中癌细胞所处的真实环境和目前关于体外关于癌症研究的准三维及三维模型之后,建立了两个具有特色的癌症体外研究模型,即第三章阐述的准三维体外研究模型,和第四章介绍的三维体外研究模型。并以两个体外研究模型为工具将目光聚焦在癌细胞的群体侵袭转移机理研究。临床发现,癌细胞以群体向外侵袭时其前端具有多样的形貌,而这些前端形貌的形成原因还尚不清楚,为了解答这一问题,在准三维体外模型中为癌细胞设置了一系列几何空间约束和不同硬度的ECM微环境(详细制作流程见第三章),研究癌细胞群体侵袭过程中的侵袭前端的形貌与两个因素的关联性。对于癌细胞群体侵袭前端的多样性报道中,对各种形貌没有一个量化的定义,本课题在识别判断各种前端形貌时从几何形态上对四种形貌,即流索形、钝头形、锥形、空腔形等给出了清晰明确的定义标准,并通过自主研发软件代码实现了软件自动识别形貌。通过临床切片的统计工作,体外准三维模型的实验证实和理论模型的计算验证,发现癌细胞对ECM的侵袭行为与其所处的几何空间大小和ECM硬度有着必然的联系,并以实验数据为基础得出了癌细胞群体侵袭前端形貌随几何空间及ECM硬度变化的相图。该相图的变化规律与临床切片统计结果的变化趋势有较高的一致性,即在几何空间极窄时,由于空间的局限性,癌细胞群体以流索形的前端向外侵袭;而当几何空间极大时,而且ECM硬度较大时,癌细胞群体多以锥形向外侵袭;而界于两者之间的条件区域内,癌细胞群体的侵袭前端多呈钝头形。这一结果也通过理论模型得到了较一致的验证。三维模型是癌症研究的一个重要体系,以其模型中的ECM与体内ECM微环境的高相似度而成为较理想的癌症研究模型。本课题设计制作了一个可提供复杂营养或药物梯度的三维癌症研究模型。该三维模型中央位置是一个胶原蛋白与基质(Matrigel)混合固化而成的ECM,其厚度为100μm,该厚度适用于各种显微仪器的最佳观测范围;ECM中排布着微小腔室阵列,小腔室可供植入细胞,小腔室的形状可根据需要进行设置;ECM的四面是四个独立的注液通道,即可以通过四个独立的注液通道注入四种不同类型的营养或药物,营养或药物通过扩散进入ECM中,在其不同区域产生不同的浓度梯度。该三维癌症研究模型可用于研究癌细胞对ECM的侵袭、癌细胞对组织结构的侵袭、细胞间的博弈、ECM取向性研究、药物筛查等等。为癌症的研究构建了一个可塑性强,极具应用潜力的三维模型。本课题运用该三维模型对ECM的取向性、癌细胞对ECM的侵袭、乳腺癌细胞对乳腺导管的侵袭、做了相应的研究。发现ECM中胶原纤维的分布及取向性受其中纤维密度和应力的影响;发现癌细胞在向ECM侵袭前期,首先伸出变形极大的触角,并且捕捉到该触角与其所在位置的胶原蛋白纤维的取向有惊人的一致性,初步判断胶原蛋白纤维对于癌细胞向ECM的侵袭行为有引导作用;还原了乳腺癌细胞突破乳腺导管的过程,发现癌细胞在侵袭导管时首先大幅度变形出大量细丝,细丝首先伸出导管到达ECM中,之后癌细胞主体再沿着细丝结构所在的缝隙向外侵袭,同时破坏其导管结构。对该三维癌症模型进行了几种后续设计,其中包括在ECM空腔中种入细胞球,更逼真地模拟癌细胞从原发灶向外侵袭的过程,在时间和空间上找出原发灶从原位到侵袭转移的质变点,可借助该模型工具找出抑制该质变点产生的条件,使癌症得到有效控制。再如在已知高强磁场可以改变胶原纤维取向的情况下,设计不同的外磁场来有目的性的控制ECM中胶原纤维的取向,来制作特异性的三维模型等。