胶质母细胞瘤因侵袭性强、复发率高而成为临床治疗中的重大挑战。细胞在生长、迁移及病理演化过程中会经历跨尺度机械加载，其力学响应不仅受细胞骨架结构调控，也与胞内液体重分布密切相关。近年来，力医学为肿瘤诊疗提供了新的物理学视角，然而，星形胶质瘤细胞与正常星形胶质细胞在不同应变率下的动态力学响应及其物理机制仍缺乏系统认识。
针对脑细胞动态力学行为研究不足的问题，研究团队采用原子力显微镜对正常人脑星形胶质细胞和星形胶质瘤细胞开展了宽应变率范围压痕-保持测试，系统表征表观杨氏模量与表观扩散系数，并结合细胞微观结构分析，建立了细胞结构特征与力学响应之间的关联。实验覆盖10种加载速度，对应应变率范围为10-3 到 100 s-1量级。
图 1. 细胞压痕测试示意图。(a)原子力显微镜 (AFM) 对活细胞进行压痕-保持测试的示意图；(b)探针以 10 种速度 (0.05-50 μm/s) 移动，目标压痕深度δ为 1000 nm，然后保持 5 秒；(c) 压痕过程中的力-位移曲线；(d) 保持过程中的力-时间曲线
研究结果表明，两类细胞的表观杨氏模量均随应变率升高而增大，并呈现典型的“S”形变化规律，可由五参数Logistic（5PL）模型拟合；表观扩散系数则随应变率升高呈幂律增长。应变率依赖性力学响应源于时间依赖的细胞内液重分布和粘弹性细胞骨架变形的耦合作用。
与正常星形胶质细胞相比，星形胶质瘤细胞在相同应变率下表现出更低的表观杨氏模量和更高的表观扩散系数，表明其更易变形且胞内液体迁移能力更强。进一步的共聚焦成像表明，这种差异与两类细胞肌动蛋白骨架结构的显著不同密切相关。正常星形胶质细胞内部具有致密的肌动蛋白网络，并在细胞核周围形成稳定支撑；而星形胶质瘤细胞的肌动蛋白更多集中于基底区域，核上方缺乏完整的核周肌动蛋白帽。正是这种微观结构差异，导致肿瘤细胞在外部机械加载下表现出更弱的承载能力与更强的变形能力，以及更高的胞内流体迁移性。
图 2. 正常星形胶质细胞（NHA）与星形胶质瘤细胞（AC）的表观杨氏模量与表观扩散系数实验结果及两种细胞的微观结构
该研究从生物力学角度系统揭示了正常脑细胞与肿瘤脑细胞之间的差异，为理解胶质母细胞瘤侵袭机制提供了新的物理图景，也为发展基于力学特征的肿瘤早期识别策略、力治疗方法及脑组织药物输运多尺度模型提供了参数基础和理论支撑。
论文第一作者为南京航空航天大学博士生秦璇，卢天健教授和刘少宝副研究员为共同通讯作者。其他共同作者包括南京航空航天大学硕士万秀伟、齐兵及博士陶泽。该研究成果得到国家自然科学基金、江苏省基础研究计划和江苏省研究生科研创新计划项目的资助。
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https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111452
