肝癌是我国恶性肿瘤中死亡率最高的癌症之一。在肝癌的发生发展过程中，肝癌组织的硬度逐渐升高，肝癌的发展过程可以看作是肿瘤细胞应对硬化组织环境的一个病态响应过程，其中肿瘤细胞离开原发病灶向临近组织侵袭，以及借血路和淋巴道向远端转移均涉及细胞的迁移行为。肿瘤细胞的迁移依赖于肿瘤细胞和细胞外基质（Extracellular matrix, ECM）之间特殊的理化作用。当细胞与基底接触，细胞通过粘附分子将细胞骨架和细胞外基质耦联在一起。这样，ECM-粘附分子-细胞骨架-细胞核形成了一个完整的大骨架网络系统。大骨架网络系统作为“力学感受器”，使细胞可感知细胞外的力学信号变化，并沿此“轨道”实现细胞内外信号的双向传导，从而调节细胞的迁移。除了基底刚度的改变，由于肿瘤细胞骨架发育的缺陷，肿瘤细胞的硬度比同组织来源的正常细胞低。肿瘤组织的硬化和肿瘤细胞的软化将影响细胞与其所黏附基底之间的力平衡。这些改变是否会影响细胞对细胞外信号的感知和传递，并对肿瘤细胞的迁移行为产生怎样的影响仍不清楚。本研究通过分析高转移肝癌细胞株（HCCLM3，简称M3）对不同基底刚度的响应来研究基底刚度和细胞刚度的相互作用对肝癌细胞迁移行为的影响，并以肝细胞（L02）作为对照。我们的主要研究内容包括：①基于体系最小自由能原则构建数学模型来模拟不同硬度基底上细胞形态的变化。结果显示，细胞的形态是通过细胞-基底系统中介面能和张力能之间的竞争，由系统最小自由能来调控的。当基底的化学环境因素保持不变时，细胞形态稳定性由细胞-基底系统的刚度决定。细胞形态对基底刚度呈双向响应，响应的范围取决于细胞外配体的浓度。细胞对基底刚度的响应范围可来用来估测细胞的“内在硬度”。②通过制备不同硬度的聚丙烯酰胺基底，观察正常肝细胞和肝癌细胞在不同的基底刚度和配体浓度上细胞骨架装配，铺展面积，周长，和形态因子的变化。并用原子力显微镜检测基底刚度对细胞刚度的影响。结果显示，实验结果与数学模型中的预测相符合。细胞周长和投影面积的增长以及肌动蛋白骨架纤维的装配都依赖于基底刚度。在一定的硬度范围内(细胞对基底刚度响应的敏感区域)细胞的周长，投影面积的增长和肌动蛋白骨架纤维的装配与基底刚度呈函数关系。胞外配体浓度的增加使细胞对基底刚度敏感响应的范围缩小。基于在不同硬度基底上细胞形态的变化，通过细胞因子的变化趋势来预估细胞的“内在硬度”发现正常肝细胞的硬度高于高转移的肝癌细胞，这与原子力显微镜所检测铺展细胞的“表观硬度”结果相一致。③利用不同硬度聚丙烯酰胺基底研究基底刚度和细胞刚度的相互作用对正常肝细胞和肝癌细胞迁移速度的影响。首先用原子力显微镜分别检测肝细胞和肝癌细胞在不同硬度基底上细胞模量的变化。接着，用免疫荧光和Western Blot的方法检测不同硬度基底上细胞骨架纤维的交联程度。最后用流式细胞仪检测细胞表面整合素β1的表达。结果显示，肝细胞和肝癌细胞可调整其自身硬度与所黏附基底刚度相适应，但是二者的调节能力不同。肝细胞响应的硬度范围大约从3.6kPa到非常硬的玻璃基底，而肝癌细胞响应的硬度范围相对较软，大约从1.1kPa到33.7kPa。在这个硬度范围内，细胞actin纤维的装配和整合素β1的表达有明显的增加。对细胞迁移的分析发现，肝细胞在相对较硬（33.7kPa）的基底上运动比较快，而肝癌细胞则在相对较软(3.6kPa)的基底上运动比较快。这些结果提示肝细胞和肝癌细胞对基底刚度不同的响应能力可能造成了与其细胞骨架的装配和整合素β1的表达的差异相关从而影响细胞的迁移速度。④利用不同硬度的聚丙烯酰胺基底研究基底刚度和细胞刚度的相互作用对细胞迁移模式的影响。通过原子力显微镜检测细胞刚度，time-lapse显微镜记录不同硬度基底上细胞形态和迁移的变化，并用免疫荧光技术观察基底刚度对细胞骨架排列的影响。基底刚度对细胞cofilin和整合素β1表达的影响用Western Blot检测，细胞中基质金属蛋白酶-2（Matrix metalloproteinase-2, MMP-2）的表达用明胶酶谱法检测，并用Transwell小室检测细胞在三维基质中的侵袭效率。结果显示，硬基底可通过促进细胞骨架装配，增加细胞刚度，并通过调节MMPs分泌和整合素的表达等来促进细胞间充质样的迁移；而软基底则可以通过形成皮质下环状排列的骨架纤维，提高细胞的柔韧性，减少MMPs的分泌和整合素的表达来诱导细胞阿米巴样的迁移,从而提高细胞的侵袭效率。其中肝细胞可在硬基底上以典型的间充质样运动方式迁移，但肝癌细胞却不能。与之相反的，软基底可诱导大多数肝癌细胞表现出阿米巴样迁移的潜能而只有少数肝细胞表现出阿米巴运动的活力。这些结果提示基底的硬度，它作为一个力学调控因子，可以放大细胞的间充质或阿米巴运动的潜能。但是细胞是选择一种迁移模式或者是几种迁移模式的混合，则主要取决于细胞自身的特性（如细胞刚度和相关蛋白的基础表达水平）。基于以上的研究结果我们认为在细胞对基底刚度的感知和响应中，基底刚度和细胞刚度的共同作用比单一的基底刚度起的作用更重要。基底刚度和细胞刚度作为一种物理因素，主要影响细胞对基底刚度的感知范围，并在不同的硬度范围内调节相关信号蛋白的表达水平从而影响细胞的迁移速度和迁移方式的选择。从细胞刚度和基底刚度二者相互作用的角度来研究肝癌细胞的迁移转移机制，这将为临床上设计抗肝癌转移治疗方法提供新的思路。