由于疾病会改变生物组织的力学性质，因此生物组织的力学性质测量可以用于监测疾病的发生、发展过程，并进行疾病早期诊断。生物组织力学性质的测量历史悠久，最古老的方法称为“触诊”，即通过触摸、按压感受组织的硬度（stiffness），从而判断组织是否发生病变。肝炎—肝硬化—肝癌是慢性肝脏疾病经典的‘三部曲’。随着乙肝、丙肝的疫苗和药物的普及，病毒性肝炎导致肝癌的发病率正在逐渐下降。但随着经济发展带来的过度营养化，代谢相关脂肪性肝病（Metabolic dysfunction-associated fatty liver disease，MAFLD）引发的肝癌发病率正在不断上升。代谢相关脂肪性肝病的早期表现隐匿，发病率高，如果不加以注意，很有可能进一步转变为肝癌。另一种经常伴随脂肪肝的代谢性疾病——糖尿病也是肝癌发生的重要影响因素之一，糖尿病患者罹患肝癌的风险是普通人患肝癌风险的2至3倍。
最新调查显示，35%以上的代谢相关脂肪性肝癌没有肝硬化背景，也就是说这类疾病可以不发生肝硬化而直接转变成肝癌。过往研究表明细胞外基质(extracellular matrix，ECM) 力学的变化可以改变癌症的进程，比如肝硬化条件下硬度的增加会促进肝细胞癌 （HCC）的发展。然而，在非肝硬化情况下，相对“柔软”的细胞外基质如何影响肝癌进展尚不清楚。
针对这一问题，2024年1月31日，斯坦福大学Natalie J. Töröok实验室（第一作者为博后范卫国）在Nature杂志上发表了题为Matrix viscoelasticity promotes liver cancer progression in the pre-cirrhotic liver的研究文章，揭示了在脂肪肝/糖尿病的肝脏细胞外基质中积累的糖基化终产物（Advanced glycation end products，AGEs），会促进肝脏胶原结构的变化、增强ECM的黏弹性（viscoelasticity），进而通过激活YAP通路促进肝癌的发生。该机制的阐明为脂肪肝/糖尿病引发的肝癌的预防、诊断和治疗提供了新思路。
在过往的研究中，生物组织常被模拟为线弹性材料去关注其在疾病中的硬度变化。但生物组织并不是线弹性材料，它们表现出更复杂的力学行为，如对载荷或变形有着随时间变化的响应，既黏弹性。因此，生物组织的黏弹性测量和建模是生物力学领域中的重要研究方向之一。
作者通过原子力显微镜（ Atomic Force Microscopy，AFM）和流变仪（rheometer ）的测量研究发现在 T2DM 和 NASH 病人样本和小鼠模型中，肝脏的 ECM出现了显著的黏弹性变化， 而不是传统认知中的硬度变化。而且这种 ECM黏弹性的变化与肝脏ECM 中的AGEs相关。AGEs 是由 T2DM 期间血清或组织蛋白的非酶糖化产生的，也可以通过食用高温制备的食物而摄入。随着时间的推移，由于身体的清除率和代谢下降，AGEs 在ECM中积累，并且对胶原蛋白和其它 ECM 蛋白进行生化修饰。在小鼠模型中给予小分子药物去抑制AGEs的生成或者破坏 AGEs 介导的胶原交联，均可以降低肝脏ECM中AGEs的含量并逆转肝脏黏弹性的改变。
为了研究高黏弹性的肝脏对肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）发生的影响，研究人员通过先给小鼠喂养含高AGEs的饲料来模拟肿瘤细胞生成前的基质环境， 然后高压尾静脉注射递送突变的人类β-catenin/Met质粒来建立 HCC小鼠模型。研究结果发现高 AGEs可促进 HCC 生长，而抑制 AGEs 产生、破坏 AGEs 介导的胶原交联、或重建 AGEs 清除受体 AGER1，可降低肝脏黏弹性和抑制HCC 的生长，提高小鼠的生存率。
研究人员通过双光子显微镜观察了人类和小鼠肝脏样本中的胶原网络，发现AGEs交联胶原后，胶原纤维长度变短、异质性增大，从而使得胶原网络的互联性降低，组织的黏弹性升高。在使用AGEs交联胶原蛋白生成的3D水凝胶中观察到了类似的现象，且破坏 AGEs 介导的胶原交联可以逆转黏弹性的改变。进一步的计算模型表明，AGEs交联胶原蛋白导致的纤维长度变短和角度变小与黏弹性的改变呈正相关。
为了进一步研究ECM黏弹性改变促进HCC的分子机制，研究人员对小鼠的肝脏组织进行了RNA测序和生物信息学分析，发现高AGEs/高黏弹性的小鼠肝脏中，YAP调控基因富集。而且抑制YAP的活性可以显著减缓小鼠HCC的进展。研究人员与 Chaudhuri 实验室（斯坦福大学生物机械工程系）密切合作，使用海藻酸钠（alginate）和基质胶（Matrigel）开发了一种用于分子机制研究的新型 3D 水凝胶细胞培养系统。此培养系统可以在保持肝脏的生理硬度的同时通过改变海藻酸钠的分子量来调节3D 水凝胶的黏弹性，从而更好地模拟肝脏 ECM微环境。利用此系统，研究人员发现高黏弹性可以通过上调肝癌细胞的整合素（β1 Integrin）-YAP机械力感知信号通路而促进肝癌细胞的增殖和迁移。同时，研究人员鉴定了一个全新的黏弹性机械力感知信号通路分子Tensin 1，可以作为潜在的治疗靶点。
综上所示，此项工作证明了在糖尿病/脂肪肝患者中的 AGEs 积累改变了细胞外基质，增加了ECM黏弹性，从而促进了 HCC的 体内侵袭和生长。胶原蛋白-AGE 交联会导致胶原纤维的长度和角度发生改变，使得胶原网络的互联性降低。这挑战了胶原纤维交联只会增加硬度的传统观点。最近的研究表明，除了ECM硬度的变化外， 黏弹性的变化也可以独立调节组织生长、分化、以及癌细胞的增殖和侵袭，但是一直缺乏体内实验的证明。此项工作是 ECM 黏弹性与癌症关联性的第一个体内验证研究，证明了 ECM 黏弹性在癌症进展中的重要作用。
此外，研究者提出了一个重要观点。目前的肝癌筛查主要针对肝硬化人群，但是这项研究发现高黏弹性与肝癌的关系同样紧密，尤其是对2型糖尿病患者而言，肝癌普遍发生在没有肝硬化的情况下。针对这一现状，研究者认为，黏弹性未来可以做为2型糖尿病患者肝癌筛查的风险因子。
斯坦福大学Natalie J. Töröok实验室的范卫国博士为该研究的第一作者。斯坦福大学Ovijit Chaudhuri实验室的Kolade Adebowale博士，Natalie J. Töröok实验室的Lóránd Váncza博士, 黎媛博士亦对本工作做出重要贡献。
范卫国博士即将在中国科学院分子细胞科学卓越创新中心做为独立PI开展研究。范卫国博士在过去五年内围绕细胞外基质在肝脏疾病中的变化和功能开展大量研究，代表性工作发表在Nature （2024）, The Journal of Clinical Investigation(2020)和Gastroenterology (2019, cover story)。课题组将来致力于研究肝脏以及其他器官中细胞外基质成分和机械力学的变化与组织微环境中多种细胞的交互作用。
课题组现有副研究员，研究助理和博士后岗位空缺，具有生物信息学，机械力学研究和动物试验等背景的申请人优先考虑，也欢迎博士生联系报考。有意应聘者请投递个人学术简历