基质硬度梯度驱动的细胞定向迁移（Durotaxis）在肺纤维化和胰腺癌转移中的机制与靶向治疗研究

　　本研究首次证实细胞沿硬度梯度迁移（Durotaxis）是驱动肺纤维化和胰腺癌转移的关键机制。通过原子力显微镜（AFM）和基因工程小鼠模型，团队发现FAK-paxillinY31/118通路介导的机械传感激活了YAP信号，促使成纤维细胞向纤维化区域迁移并分化为肌成纤维细胞，同时引导肿瘤细胞向高硬度基质转移。开发的小分子抑制剂JP-153可特异性阻断该通路，为纤维化和癌症治疗提供新策略。

　　

在生物体发育和组织修复过程中，细胞如何感知外界机械信号并作出定向迁移一直是未解之谜。更令人困扰的是，这种被称为"durotaxis"（硬度趋向性）的现象——即细胞沿着基质硬度梯度迁移的行为——虽然在体外研究中被广泛观察，但其在疾病发展中的真实作用长期停留在推测阶段。肺纤维化和胰腺癌这两种致命疾病中存在明显的组织硬化现象，但传统研究多聚焦于生化信号，忽略了机械力学的关键作用。

《Nature Cell Biology》最新发表的研究通过多学科交叉方法，首次在活体动物模型中证实了durotaxis是驱动疾病进展的核心机制。研究人员发现，纤维化组织和肿瘤微环境中存在异常陡峭的硬度梯度（高达500 Pa μm^-1），是胚胎发育中观察到的300倍。这种极端力学环境通过FAK-paxillin^Y31/118-YAP信号轴，既引导成纤维细胞向损伤部位聚集并激活为胶原分泌旺盛的肌成纤维细胞（myofibroblast），又促使具有间质表型（quasi-mesenchymal, QM）的胰腺癌细胞向高硬度区域迁移，进而促进转移扩散。

关键技术方法包括：1）原子力显微镜（AFM）纳米压痕技术绘制组织硬度梯度图谱；2）光刻和微流控技术构建具有不同硬度梯度的水凝胶模拟病理环境；3）CRISPR-Cas9基因编辑构建FAK^L994E敲入小鼠；4）患者来源的胰腺癌异种移植（PDX）模型和KPC（Kras^G12D/Trp53^R172H）转基因胰腺癌模型；5）双光子活体成像追踪肿瘤细胞迁移轨迹。

纤维组织呈现陡峭硬度梯度

通过AFM三维弹性成像发现，博来霉素诱导的纤维化肺、皮肤和肾脏组织中，胶原沉积区域形成明显的硬度"峰谷"结构（图1）。肺纤维化区域的硬度梯度达500 Pa μm^-1，是健康组织的15倍。这种力学异质性为durotaxis提供了导航路径。

硬度梯度驱动成纤维细胞定向迁移

设计的光图案化水凝胶（4-40 kPa条纹交替）显示，间充质干细胞和成纤维细胞的durotaxis指数最高（>6），而免疫细胞几乎无响应（图2）。微流控梯度水凝胶上的延时成像证实，成纤维细胞前端形成富含磷酸化paxillin^Y31的黏着斑，核内YAP积累，呈现明确的硬度趋向性（图3o-s）。

FAK-paxillin作为机械传感模块

研究发现FAK的FAT结构域通过L994残基与paxillin的LD2基序结合（图4a-c）。基因敲入FAK^L994E突变或小分子抑制剂JP-153（1 μM）可选择性破坏该相互作用，抑制paxillin^Y31磷酸化但不影响FAK自身磷酸化（Y397），从而阻断durotaxis而不影响化学趋化（图3g-l）。

靶向durotaxis改善纤维化

FAK^L994E小鼠在博来霉素模型中显示：肺胶原沉积减少63%（图4h），肌成纤维细胞聚集降低75%（图4s）。JP-153治疗组（5 mg/kg）同样显著缓解纤维化，且不影响TGF-β水平或炎症反应（图4n-r），证明其特异性靶向力学信号通路。

肿瘤细胞通过durotaxis促进转移

胰腺癌模型显示，肿瘤-间质界面硬度梯度引导QM型PDAC细胞迁移（图5g）。表达paxillin^Y31E/Y118F突变体的肿瘤细胞在保持增殖能力的情况下，肝转移减少82%（图5y）。JP-153处理使肿瘤切片中细胞迁移速度降低60%（图6h），肺转移灶数量下降70%（图6v）。

这项研究开创性地证实了durotaxis在疾病进展中的核心地位，揭示了FAK-paxillin-YAP作为力学信号转导的分子基础。与常规FAK激酶抑制剂不同，JP-153通过变构调节特异性阻断力学传感而不干扰酶活性，避免了STAT3通路激活等副作用（Extended Data Fig.10）。该发现为纤维化和肿瘤治疗提供了"力学靶向"（mechano-therapeutics）新范式，尤其对基质硬化显著的疾病如特发性肺纤维化和胰腺癌具有重要临床意义。未来研究可进一步探索不同细胞类型中durotaxis的调控网络，开发针对力学微环境的精准干预策略。