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研究作者与机构

本研究由Annelie Abrahamsson、Fatemeh Rasti Boroojeni、Sajjad Naeimipour、Nina Reustle、Robert Selegård、Daniel Aili和Charlotta Dabrosin等作者共同完成。研究团队分别来自瑞典林雪平大学（Linköping University）的肿瘤学与生物医学及临床科学系，以及分子材料实验室（Laboratory of Molecular Materials）。研究于2024年发表在期刊《Acta Biomaterialia》上，具体卷号为178，页码范围160-169。

学术背景

研究的主要科学领域为生物材料学与乳腺癌研究。高乳腺密度（high mammographic density）是乳腺癌的重要风险因素，其与组织刚度（tissue stiffness）的增加密切相关。尽管高乳腺密度与乳腺癌风险的关联已被广泛认可，但其背后的生物学机制尚不完全清楚。特别是，高乳腺密度如何通过影响肿瘤微环境（tumor microenvironment）促进乳腺癌的发生和发展，仍需进一步研究。此外，现有的体外模型（in vitro models）无法准确模拟人类乳腺组织的复杂微环境，这成为研究该风险因素的主要障碍。

本研究的目标是开发一种生物相关性强的三维（3D）模型，用于研究乳腺组织刚度对乳腺癌进展的影响。通过该模型，研究团队旨在揭示高乳腺密度如何通过改变肿瘤微环境中的细胞行为和分子信号通路，促进乳腺癌的发生和发展。

研究流程

研究分为多个步骤，具体如下：

1. 模型设计与构建

   研究团队开发了一种基于透明质酸（hyaluronic acid, HA）的可调刚度3D水凝胶模型。通过交联HA，研究人员构建了两种不同刚度的水凝胶，分别模拟低密度（900 Pa）和高密度（1500 Pa）乳腺组织的刚度。水凝胶的刚度通过改变交联密度和蛋白水解降解性（proteolytic degradability）进行调节。

2. 细胞培养与实验设计

   研究使用了两种乳腺癌细胞系：雌激素受体阳性（ER+）的MCF-7细胞和雌激素受体阴性（ER-）的MDA-MB-231细胞。此外，还从健康女性供体中分离了单核细胞（monocytes, Mo）。细胞被分别培养在低刚度和高刚度的水凝胶中，部分实验还加入了雌激素（estradiol, E2）以模拟激素环境。

3. 蛋白质表达与分泌分析

   通过免疫荧光成像和流式细胞术，研究人员检测了细胞在3D水凝胶中的黏附分子（adhesion molecules）和上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）相关蛋白的表达。此外，还使用Luminex技术分析了细胞分泌的促肿瘤蛋白（pro-tumorigenic proteins），包括炎症因子、蛋白酶和生长因子等。

4. 临床数据对比

   研究团队还对40名绝经后女性进行了乳腺微透析（microdialysis）实验，收集了不同乳腺密度组织中的细胞外蛋白样本，并与体外模型的结果进行对比，以验证模型的生物学相关性。

主要结果

1. 单核细胞黏附增加

   在高刚度水凝胶中，ER+乳腺癌细胞对单核细胞的黏附显著增加，而ER-细胞则未表现出明显变化。这表明组织刚度可能通过促进ER+细胞与免疫细胞的相互作用，增强其促肿瘤特性。

2. 黏附分子与EMT蛋白表达上调

   在高刚度条件下，ER+细胞中整合素β1（integrin-β1）、黏着斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）和N-钙黏蛋白（N-cadherin）等黏附分子和EMT相关蛋白的表达显著上调。这些蛋白的上调可能促进了癌细胞的侵袭和转移能力。

3. 促肿瘤蛋白分泌增加

   在高刚度水凝胶中，ER+细胞分泌的促肿瘤蛋白（如MMP-9、OPN和VEGF）显著增加。这些蛋白在肿瘤微环境中可能通过促进血管生成和基质重塑，进一步支持肿瘤的生长和扩散。

4. 临床数据验证

   体外模型的结果与临床微透析数据高度一致。在ER+细胞模型中，18种促肿瘤蛋白的表达模式与高密度乳腺组织中的表达模式相似，进一步证明了模型的生物学相关性。

结论

本研究开发了一种基于透明质酸的可调刚度3D水凝胶模型，成功模拟了人类乳腺组织的微环境。通过该模型，研究团队揭示了高乳腺密度如何通过增加组织刚度，促进ER+乳腺癌细胞的促肿瘤特性。研究结果表明，组织刚度通过上调黏附分子、EMT相关蛋白和促肿瘤蛋白的表达，增强了ER+细胞的侵袭和转移能力。此外，研究还发现ER-细胞对组织刚度的响应较弱，提示不同表型的乳腺癌细胞可能对微环境的变化具有不同的敏感性。

研究价值

本研究的科学价值在于首次开发了一种能够准确模拟人类乳腺组织刚度的3D模型，为研究乳腺密度与乳腺癌风险的关系提供了重要工具。该模型不仅有助于揭示高乳腺密度促进乳腺癌的分子机制，还为开发针对高乳腺密度女性的乳腺癌预防策略提供了潜在靶点。此外，研究结果还强调了组织刚度在肿瘤微环境中的关键作用，为未来研究肿瘤微环境的生物力学特性提供了新的视角。

研究亮点

1. 创新性模型

   本研究开发了一种基于透明质酸的可调刚度3D水凝胶模型，成功模拟了人类乳腺组织的生物力学特性，填补了现有体外模型的空白。

2. 生物学相关性

   通过临床数据验证，研究证明了该模型的生物学相关性，使其成为研究乳腺密度与乳腺癌风险关系的理想工具。

3. 机制揭示

   研究首次系统揭示了高乳腺密度如何通过增加组织刚度，促进ER+乳腺癌细胞的促肿瘤特性，为理解乳腺癌的发生和发展提供了新的机制。

4. 潜在应用价值

   研究结果为开发针对高乳腺密度女性的乳腺癌预防和治疗策略提供了重要依据，具有显著的临床应用潜力。

通过以上报告，本研究为乳腺癌研究领域提供了重要的理论依据和实验工具，具有深远的科学和临床应用价值。