中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室郑美玲研究员团队，近期在肿瘤仿生微环境构建与肿瘤细胞集体浸润研究方面取得新进展。研究人员提出了一种“病理特征驱动”的策略，以TACS-3典型胶原组织特征为结构依据，并利用飞秒激光无掩模投影光刻（femtosecond laser maskless projection lithography，Fs-MPL）构建具有平行和辐射状拓扑特征的仿生微结构，建立了从病理结构特征到肿瘤细胞集体浸润行为的可控研究体系。相关研究成果发表在National Science Review《国家科学评论》（doi.org/10.1093/nsr/nwag593）上。论文通讯作者是郑美玲研究员，第一作者为2023级博士研究生牛梦瑶。

肿瘤侵袭和转移是癌症治疗失败的主要原因，涉及肿瘤细胞从原发部位脱离、润湿并穿越周围三维（3D）细胞外基质（ECM）的过程。在这一复杂过程中，细胞不仅感知生化信号梯度，还感知微环境中的物理拓扑线索。肿瘤相关胶原特征（tumor-associated collagen signatures，TACS）代表了肿瘤进展过程中ECM胶原重塑的不同模式。其中，TACS-3表现为胶原纤维高度定向排列，垂直于肿瘤边界并沿肿瘤边界呈平行或径向辐射状组织。许多临床研究已证明，TACS-3被广泛视为肿瘤侵袭的病理标志和独立预后指标。然而，天然肿瘤微环境中多种生化和力学因素相互耦合，目前尚不清楚TACS-3拓扑特征如何调控肿瘤细胞集体侵袭和浸润的物理机制。

图1 仿生TACS -3微结构的飞秒激光加工及细胞集体浸润性调控示意图

研究人员利用786-O肿瘤细胞球作为模型，实时观察其在不同拓扑微结构上的集体浸润过程。如图2所示，不同拓扑结构显著改变了肿瘤细胞球的浸润模式和动力学行为。模拟TACS-3可变间距放射状路径的蒲葵状（Livistona chinensis，LC）结构促进快速多方向的“辐射式浸润”；而平行线（parallel line，P）结构则引导形成受限的单向“轨道式浸润”。通过浸润面积和浸润速度的定量分析，结合软物质润湿理论进一步分析表明，几何引导通过黏附能和有效铺展系数调控集体润湿，揭示了仿生拓扑结构对肿瘤细胞集体浸润速度和方向性的调控作用。

图2 肿瘤细胞聚集体在仿生TACS -3微结构上浸润行为的动态研究

图3 不同拓扑结构基底上细胞聚集体的肌动蛋白与黏着斑形态

该研究从TACS-3肿瘤病理特征出发，将病理组织结构提取、飞秒激光微纳加工与肿瘤细胞集体动力学相结合，建立了病理拓扑特征与肿瘤细胞集体浸润行为之间的关联，为研究肿瘤微环境中的物理引导机制提供了新的实验策略。相关研究成果有望应用于肿瘤侵袭微环境研究和抗侵袭药物筛选。

该工作是研究团队前期系列仿生微结构制备及浸润性调控工作的深入和拓展（Adv. Health. Mater., 2024, 13, 2400849；Small, 2023, 19, 2300311；Small, 2023, 19, 2303572；Lab on a Chip, 2025, 22, 5993-6003）。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学面上基金、中国科学院国际合作计划等项目的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag593