历史上癌症研究主要集中在肿瘤进展中遗传和生化变化的作用。在过去十年中大量证据表明机械肿瘤微环境及其物理刺激可能像生物化学和遗传线索那样深刻地影响细胞。在生理条件下，细胞受到大量的物理和机械力，这在组织的发育和维持中起着重要作用。这种机械线索深深地影响细胞中的生化反应，调节许多细胞过程，例如增殖分化和凋亡，其中每一种都对器官发育和体内平衡至关重要。细胞感知这些力并因此对它们作出反应的方式主要由细胞外基质介导，在诸如癌症的许多病理状况中，发生机械稳态的破坏其调节细胞与其细胞外基质之间的复杂相互作用。肿瘤的发生和进展确实伴随着细胞及其周围细胞外基质的机械性质的重大改变。这些修饰从分子，细胞到组织水平。最近在各种生物物理技术中的技术进步使科学家们能够直接探测细胞和组织的机械特性，从而提供对肿瘤发生和肿瘤进展过程中发生的修饰的定量估计。原子力显微镜压痕测量表明，体外癌细胞比健康癌细胞更柔软。这种改变的可变形性与细胞骨架结构的主要改变有关，而细胞骨架结构又与恶性转化有关。已经表明转移细胞比临床样本中的良性细胞更软。表明细胞硬度是区分结肠癌细胞特殊功能的有价值的参数，例如它们的转移倾向以及它们的内渗和抵抗血流剪切力的能力。与癌细胞的柔软性质不同，癌组织似乎比健康组织显着更硬。这种僵硬度的增加是病理学的一个基本标志，也是触诊仍然是检测许多肿瘤的关键工具之一的原因。这种修饰主要是细胞外基质蛋白质沉积增加的直接后果，例如胶原蛋白纤连蛋白和层粘连蛋白。最近已经使用手术切除的癌组织的机械研究来提供用于癌症诊断的潜在用途的定量信息。在此背景下第一次癌症组织测量进行，这提供了令人信服的证据，即原子力显微镜杨氏模量允许检测组织切片中的癌细胞。人体乳房活检样本的高分辨率刚度图提供了一个机械指纹，可以帮助确定癌症进展的阶段。肝组织的纳米机械特征与肝细胞癌的发展直接相关。
　　 因此，细胞和细胞外基质之间的生物物理动力相互作用的扰动已成为调节肿瘤生长和进展的关键信号传导途径。对于胶质母细胞瘤来说尤其如此，这是一种高度侵袭性的脑肿瘤。胶质母细胞瘤的侵略性特征是由于其独特的浸润模式，与大脑细胞外基质的特殊结构密切相关。在正常脑纤维蛋白的水平非常低相比，中枢神经系统外结缔组织。正常大脑的细胞外基质环境包含高水平的空间填充碳水化合物分子，例如大的糖胺聚糖透明质酸和蛋白质结合的碳水化合物分子例如蛋白多糖由于这种独特的结构，与其他组织相比，脑组织非常柔软，具有平均杨氏模量如通过在不同动物模型上的压痕型测量所估计的。正常的脑实质并不均匀，并且具有较高的机械刚度，例如血管的基底膜和白质的有髓纤维束。由于它们的机械刚性，这样的结构作为浸润通路胶质瘤侵袭，证实了微环境刚度调节肿瘤细胞扩散的关键参数之一。在脑模拟细胞外基质上培养胶质瘤细胞的实验进一步证实了僵硬结构的关键作用，所述脑模拟细胞外基质具有包括正常和致瘤脑组织的一系列硬度。有趣的是在柔软的二维基底上培养的细胞，其刚性与正常脑相当，表现出运动性降低和扩散能力极其有限。相反底物刚性的增加导致细胞扩散，运动和增殖增加。类似的观察展示了如何在细胞外基质刚性增加的增加减少降低的细胞运动性的报道。这些数据表明胶质瘤细胞可以积极地重塑其微环境，将其从正常脑细胞外基质转变为刚性肿瘤样细胞外基质。这一过程的一个步骤包括将正常脑细胞外基质的蛋白水解降解和更硬的细胞外基质的胶原和纤连蛋白的表达增强的分泌。这一大量证据证实了机械修改在胶质母细胞瘤传播和进展中所起的基础作用。这种机械修饰主要由肿瘤细胞和肿瘤微环境之间的相互作用介导，这在很大程度上是不清楚的，需要进一步阐明。考虑到脑膜瘤组织具有与胶质母细胞瘤完全不同的纤维状肿瘤微环境，胶质母细胞瘤和脑膜瘤组织之间的比较可以提高研究人员对这种复杂相互作用的理解。脑膜瘤细胞确实能够合成和分泌原胶原分子并产生纤维结缔组织。脑膜瘤不像胶质母细胞瘤那样侵入正常的大脑，相反，它紧凑地扩展压缩周围的脑组织。
　　 在这项工作中，研究人员报告了一项关于手术切除后获得的人胶质母细胞瘤和脑膜瘤组织的纳米力学性质的综合研究，并通过原子力显微镜分析工作到力谱模式。为了更深入地了解机械线索在肿瘤进展中的作用，研究人员将胶质母细胞瘤的纳米机械特征与脑膜瘤的纳米机械特征进行了比较。此外，研究人员将样品的机械性质与特定的组织病理学特征相关联，以揭示对肿瘤诊断和分期有用的定量指纹。这项工作首次直接测量人类胶质母细胞瘤的纳米力学性能和手术切除后获得的脑膜瘤病变。这些特定肿瘤的选择旨在更深入地了解肿瘤细胞和细胞外基质之间的相互作用，因为脑膜瘤和胶质母细胞瘤具有完全不同的生长途径，暗示着生物力学特性的不同作用。胶质母细胞瘤是一种极具侵袭性的肿瘤，其特征在于渗透正常脑实质的高度倾向。其独特的生长模式在很大程度上取决于肿瘤细胞与其微环境之间的生物物理相互作用，其特征在于异质的生物力学响应。正常脑细胞外基质主要由高粘性糖皮质激素和蛋白多糖组成，缺乏弹性纤维蛋白，是中枢神经系统外典型的细胞外基质。该特定组合物对神经胶质瘤细胞的侵袭途径具有重要影响，其优先通过诸如有髓鞘轴突纤维和血管基底膜的刚性结构迁移。由于这个原因，胶质母细胞瘤细胞作为单个细胞积极地传播，在距主要病变几毫米或几厘米的范围内形成新的肿瘤灶。许多关于二维仿生支架的研究表明，胶质瘤细胞的迁移能力随着支架刚度的增加而增加。对三维仿生支架进行的类似研究表明，在环境密度和刚度的增加具有抑制运动性和侵入过程的效果。当细胞外基质成为肿瘤细胞运动的限制时，已知胶质母细胞瘤细胞通过激活基质金属蛋白酶和透明质酸酶来重塑其三维微环境。
　　 这些结果表明虽然二维硬表面增强胶质瘤细胞的运动性，但僵硬和紧凑的三维环境阻碍了肿瘤扩张。这使得胶质母细胞瘤与具有完全不同的扩展行为的脑膜瘤的比较变得有趣。通常脑膜瘤细胞通常不能侵入正常的大脑，而是紧密地扩张压缩周围组织这种行为与纤维性肿瘤微环境和脑膜瘤细胞间充质特征密切相关。通过两个主要参数的纳米尺度映射来研究手术切除的组织的生物力学响应：表观杨氏模量，其提供关于样品刚度的信息，以及评估耗散和粘弹性力的滞后。在原子力显微镜实验中很少考虑后一个参数。然而鉴于透明质酸的高发生率，这是众所周知的粘弹性反应者，对于更好地理解生物力学线索在胶质母细胞瘤组织中的作用非常重要。从方法论的角度来看，研究人员开发了一种新颖的程序，使研究人员能够获得无与伦比的尺寸的弹性图。手术切除的组织的地形图像和弹性图的获取确实受到粗糙度问题的困扰，粗糙度通常大于可用的压电致动器偏移。为了克服这个问题，在他们的开创性工作中开发并实施了一个定制的自制硬件和软件算法，用于自动调平，研究人员发现在这个长度范围内，表面粗糙度约为几十微米如此高的波纹将使得在传统的原子力显微镜配置中获得不间断的弹性或地形图是不可行的。这里描述的方法有可能促进原子力显微镜用于研究高波纹手术切除组织的巨大跳跃。据研究人员所知这项工作是胶质母细胞瘤和脑膜瘤组织的首次生物力学原子力显微镜表征。研究人员系统地比较了研究人员的纳米级地图与标准组织学发现，以便正确识别两种肿瘤组织的主要成分的生物力学指纹。
　　 研究人员总结了坏死的，非坏死的和正常的肿瘤周围胶质母细胞瘤组织和脑膜瘤的平均值。所有病理组织的平均值与正常组织的平均值显着不同。特别地在所有测量的坏死组织上计算的平均。与其他组织相比，表明粘弹性和耗散力的主要作用。通过分析在不同扫描速度下获得的，突出了坏死组织的固有非结构化性质。这一分析表明，组织经历的空间均匀的增加随扫描器速度。所有这些实验结果使研究人员能够将明确定义的峰识别为肿瘤坏死的标志。对于非坏死的胶质母细胞瘤核心，这样的值比正常的肿瘤周围组织大约一个数量级，并且比坏死组织的值大近两个数量级。这项工作提供了手术切除后获得的人胶质母细胞瘤和脑膜瘤组织粘弹性的详细纳米力学表征。研究人员的结果表明，纳米尺度映射具有促进能够区分正常和病理脑组织的新型机械生物标记物的发展的潜力。研究人员发现胶质母细胞瘤组织的生物力学响应与正常瘤周区域之间存在很大差异。就原子力显微镜在临床实践中的实际使用而言，该结果非常有希望，因为它可以为优化肿瘤切除区域开辟新的可能性。研究人员证明杨氏模量和滞后都对纤维蛋白的过度表达以及缺氧坏死区域的存在是敏感的，这是胶质瘤的主要标志特征。研究人员确实清楚地确定了坏死区域的机械特征，其特征在于在低弹性值处的明确定义的峰值，研究人员将高贡献联系起来对于与肿瘤细胞浸润过程密切相关的异常脉管系统的发生的价值。目前，胶质母细胞瘤的形态学分级主要依赖于广泛使用定性参数的组织病理学发现。研究人员的研究结果为开发新的定量工具开辟了道路，以评估可与传统组织病理学检查结合使用的脑肿瘤分级。研究人员还分离了级脑膜瘤组织的生物力学特征，其特征在于右倾斜分布在附近达到峰值。该指纹与周围硬脑膜粘弹性反应的比较，使研究人员能够评估肿瘤细胞硬脑膜浸润的发生。这一结果可能在外科手术中有了令人感兴趣的发展，因为完整的肿瘤切除包括硬脑膜浸润组织与复发密切相关。除了临床应用研究人员的研究结果提供脑细胞外基质肿瘤引起的机械改造的定量描述，因而是在寻找对脑肿瘤尤其是对胶质母细胞瘤新细胞外基质目标潜在的帮助，尽管多年深入研究的治疗方案仍然非常有限。