越来越多医学健康和生命科学研究的发现已经证实，力学因素在重大疾病发生发展和治疗响应中扮演着重要角色。随着近半个世纪以来生物力学与力生物学的蓬勃发展，力学与生物医学的交叉研究已经深入到改善重大疾病的诊断和治疗效果，由此衍生出了“力医学（Mechanomedicine）”这一新兴学科与领域。为推动这一前沿研究，西安交通大学生命科学院与技术学院仿生工程与生物力学研究所(BEBC)从多学科交叉和理工医融合的角度出发，首次系统阐释了力医学的概念与学科体系，并针对不同临床重大疾病，开展了系列研究，旨在面向多学科研究者，特别是医学领域普及力医学概念，推动力医学在临床中的转化应用。

研究内容简介

1.临床难题与关键发现：首次揭示“微通道网络”这一肿瘤转移新结构

肿瘤远处转移是临床治疗中最具挑战性的科学问题之一，而癌细胞如何突破ECM这一核心物理屏障仍缺乏系统理论框架。既往研究表明乳腺癌细胞能通过ECM力学重塑形成微通道结构作为阻力最小的迁移路径。然而，既往研究仅仅在单细胞水平上聚焦于单个微通道的形成过程，多细胞水平微通道的延伸规律及机制仍不清楚。本研究团队将研究焦点从独立的细胞个体升级为相互协作的群体，首次观察到癌细胞在群体尺度下能够协同自组装 ECM 微结构，逐步构建出由多条微通道相互连接、具有拓扑特征的微通道网络。该网络作为细胞群体转移过程中畅通无阻的“高速公路”，使群体迁移效率显著提高，揭示了肿瘤细胞在复杂力学微环境中实现高效转移的新模式。

2.微通道网络构建过程的力学生物学特征：提出“机械桥”导向机制

为揭示微通道网络的自组装过程，本研究基于团队自主搭建的原子力显微镜–光镊–共聚焦成像一体化平台，对网络构筑过程中的 ECM 力学性能、组织微结构及细胞牵引行为进行了全程原位力学生物学表征。研究发现，相邻微通道之间的连接并非随机，而是在癌细胞群体力学协同作用下，沿特定方向持续延伸并精确汇合的结果。机制层面上，肿瘤细胞通过牵引作用使 ECM 内胶原纤维高度对齐，在相距较远的微通道间搭建出可跨尺度传递方向线索的 “机械桥”。这些机械桥能够调控细胞群体在特定方向上进行力学信号交流，导向相邻通道的有序汇合，从而构建出交汇贯通的网络结构。

3.力学生物学机制解析：单细胞测序与数理模型识别关键力敏感细胞亚群及调控分子

为进一步解析微通道网络构筑中的核心调控程序，本研究结合三维模型中的单细胞 RNA 测序、分子干预实验及无格点 agent-based 数理模拟，对参与 ECM 重塑的细胞群体进行多尺度整合分析。结果鉴定出一类富集 Integrin–RhoA/YAP 信号轴与 MMP14 的力敏感型领导细胞（leader cells），其具备更强的机械响应能力与 ECM 改造能力，可优先感知机械桥的方向性线索并施加强牵引力，从而主导微通道的延伸与交汇。数理模型进一步验证了细胞间力学信号交流在网络构建中的演化规律，揭示了微通道网络从局部通道到整体拓扑结构构建的自组装力学过程。本研究基于ECM力学重塑的新型促转移生物网络及其形成的机制，从力医学视角为乳腺癌转移提供全新力学生物学理论框架及潜在干预靶标。

论文发表信息

该研究成果以“Multicellular Force Coordination Constructs Microchannel Networks for Barrier-Free Metastasis across Extracellular Matrix”为题近日在Science Advances《科学进展》在线发表，西安交大一附院I期临床试验研究中心研究医生高欢作为第一作者，BEBC程波教授与靳国瑞教授为共同第一作者。BEBC徐峰教授，西安交大一附院杨谨教授、以及西安交大一附院癌症中心名誉主席徐兵河院士、BEBC靳国瑞教授、林敏教授、西安交大二附院郭卉教授为共同通讯作者。本研究依托西安交大仿生工程与生物力学研究所、西安交大一附院精准医学研究中心开展，获得国家自然科学基金重点/面上项目/青年项目、国家医学攻关产教融合创新平台等基地的支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz4291

BEBC理念

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）围绕“重大疾病诊治”领域中共性科学问题和技术挑战，按照“临床重大需求牵引-生物力学理论创新-医工核心技术突破-临床转化应用推广”的研究思路，创立了“多尺度生物热-力-电耦合学”，开拓了“力-医学”学科新方向，提出了“细胞智能”颠覆性概念和技术。BEBC立足力学基础理论，交叉融合材料、化学、生物、医学等领域，按照“临床问题（BED）-实验室研究（BENCH）-临床应用（BED）”的研究思路，在力学微环境领域开展了从组织到细胞和分子尺度的多尺度生物热-力-电耦合学等基础和应用研究，为阐明重大疾病的发病机理和临床诊疗提供有效的理论指导和技术方案。

近年来，BEBC在生物力学和力学生物学的研究基础上，通过工程学手段，将不同尺度的力学调控引入疾病诊疗，开展了一系列的“力医学（mechanomedicine）”研究，同时正在结合数据科学与人工智能将智能算法融入临床医学，积极开拓基于AI赋能的“数智力医学”研究领域。相关代表性研究成果发表于《自然材料》（Nature Materials）、《自然化学》（Nature Chemistry）、《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）、《自然通讯》（Nature Communications ）、《科学进展》（Science Advances）、《美国科学院院报》（PNAS）等期刊。在国内医学权威期刊上系统阐释了力医学在不同疾病中的应用及前景。