癌症是人类死亡的一大杀手，而现有的治疗手段，如放疗、化疗等副作用大且治愈率低。力医学（mechanomedicine）这一全新领域的发展为力学在肿瘤治疗中的应用提供了全新的思路。近年来，利用超声波实现对癌细胞的精准杀伤的肿瘤力学疗法引起了广泛关注，这种方法的一种可能机制是由于健康细胞和癌细胞存在的结构和力学特性差异，特定频率的超声波引起了癌细胞核的共振，健康细胞远离共振几乎不受影响，而确定超声波的作用频率需要对癌细胞和对应的健康细胞之间的固有频率差异进行计算。然而对于脑胶质瘤等常见癌症，其健康和癌细胞之间的固有频率差异尚不清楚，超声波肿瘤力学疗法在不同癌症中的应用可行性与可推广性仍需阐明。
近日，南京航空航天大学刘少宝副研究员团队在前期研究基础上，通过细胞核动力学模型评估了超声波肿瘤力学疗法在常见癌症中的可行性，研究成果以“Estimates of Natural Frequencies for Nuclear Vibration, and an Assessment of the Feasibility of Selective Ultrasound Ablation of Cancer Cells”为题发表于生物医学材料力学领域著名期刊Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials上。
该研究基于对健康和癌细胞的结构和力学特性表征，估计了健康细胞和癌细胞之间的固有频率差异，并进一步阐明了超声波肿瘤力学疗法在脑胶质瘤等常见癌症中良好的可行性。细胞动力学模型是固有频率差异分析的重要手段，研究人员首先将细胞核视为由细胞骨架悬挂，嵌入在各向同性细胞质中的悬浮振子，考虑细胞骨架主动收缩力和刚度建立了细胞核-细胞骨架系统三维自由振动模型（图1），给出了细胞核平移振动和扭转振动固有频率的计算公式。
图1 细胞核-细胞骨架系统三维自由振动模型
接下来，研究人员基于原子力显微镜压痕实验，得到了胶质细胞、胶质瘤细胞、鼠神经元细胞和垂体瘤细胞等八种脑细胞的压痕力位移曲线（图2）。通过赫兹接触模型，得出了上述细胞的表观杨氏模量，为后续的固有频率差异计算提供了数据基础。
图2原子力显微镜压痕表征脑细胞表观杨氏模量
为了提供更加丰富的固有频率数据和对比分析，除脑细胞压痕表征数据外，研究人员还结合了文献调研的其他癌症中健康和癌细胞的结构和力学特性参数，估计并对比了健康细胞和癌细胞的固有频率差异（图3）。结果显示大部分常见癌症中健康和癌细胞存在数十kHz量级的固有频率差异，足以实现特定频率的超声波对癌细胞的选择性杀伤。
图3癌细胞和健康细胞固有频率差异
在固有频率计算结果基础上，研究人员结合高斯分布函数，定义选择性比率以量化超声波对癌细胞作用的选择性（图4）。健康细胞固有频率在癌细胞固有频率平均值附近一个标准差范围内的分布越少，选择性比率越高，表明超声波以癌细胞固有频率作用时，健康细胞所受到的影响越小，选择性越好。结果表明超声波在脑胶质瘤、肺癌和膀胱癌等常见癌症中的选择性良好，预期副作用较小。
图4癌细胞和健康细胞响应频谱差异
综上所述，本研究表征了一系列脑细胞的表观杨氏模量，填补了相关数据空白，基于细胞核三维自由振动模型计算了常见癌症中健康和癌细胞之间的固有频率差异，并基于计算结果量化了超声波肿瘤力学疗法的选择性，证实了超声波激励癌细胞核共振的肿瘤力学疗法的可行性与可推广性，并为针对这些特定细胞类型的量效关系实验提供了理论基础和数据支撑。
南京航空航天大学硕士研究生齐兵为论文第一作者，刘少宝副研究员为通讯作者。特别感谢南京航空航天大学卢天健教授的指导，以及硕士张浩、东部战区总医院神经外科博士后朱俊豪、山东大学控制科学与工程学院实验教学与创新实践中心王明、东部战区总医院神经外科主任马驰原、美国圣路易斯华盛顿大学Guy M. Genin教授对本研究在细胞样品、力学测试和论文撰写等方面的帮助。研究得到国家自然科学基金项目、江苏省科技计划和人类前沿科学计划的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2024.106778
作者简介
南京航空航天大学航空学院2022级硕士研究生
导师刘少宝副研究员，主要从事细胞活性结构动力学等研究，已在JMBBM，IJMS，应用数学和力学等国内外期刊发表论文4篇。
作者简介
南京航空航天大学航空学院副研究员
航空航天结构力学及控制全国重点实验室骨干成员，多功能轻量化材料与结构工信部重点实验副主任。西安交通大学力学专业博士学位，美国圣路易华盛顿大学联合培养。入选江苏省“双创博士”人才项目，作为核心成员入选江苏省双创团队。立足固体力学、生物力学以及力学医学前沿学科交叉领域，主要从事多孔介质热流固耦合理论、脑力学、细胞核力学研究，已在Appl. Mech. Rev., JMPS（8篇）, Nat. Commun., ACS Nano, IJMS, IJHMT, Nonlinear Dyn., 力学学报等国内外著名学术期刊上发表论文70余篇、英文专著章节2章。5篇被选为封面论文。授权发明专利4项。出版教材2部，其中《生物力学》被选为科学出版社“十四五”普通高等教育本科规划教材。兼任《应用数学和力学》编委、《力学与实践》青年编委，受邀担任《应用数学和力学》客座编委出版“生物热-力-电生理耦合学”专刊。
审核：力学家
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