为什么一些癌症不会转移，另一些癌症却会脱离束缚，转移到全身？紧密堆积的细胞中蕴含着的物理学原则可能会帮我们攻克癌症转移的难题。

　　撰文Gabriel Popkin

　　翻译房苑

　　审校丁家琦

　　本文来自《环球科学》杂志，经微信公众号环球科学Scientific American（ID: huanqiukexue）授权转载。

　　1995年，当生物医学家Peter Friedl还是加拿大麦吉尔大学的一名研究生时，他观察到了一些令人惊奇的现象：他在实验室培养的癌细胞会以集群的方式在模拟人体细胞生存空间的的纤维网络中整体移动，这一发现使他兴奋得夜不能寐。

　　一个多世纪以前，科学家已经发现单个癌细胞可以离开原肿瘤部位，通过血液和淋巴系统迁移到身体的其他部位，然而没有人曾观察到Friedl在显微镜下观察到的现象：一群排列紧密有序的癌细胞像一个整体一样移动。由于这一现象太过新奇，Friedl投稿的期刊拒绝发表他的文章。Friedl说：“文章被拒绝发表是因为我们观察到的现象与‘癌细胞转移’这一概念的关系还不明确。”最后，Friedl与合作者在期刊Cancer Research上发表了一篇短文章。

　　20年后，越来越多的生物学家认同了这样的观点：虽然以集群方式移动的癌细胞比单个在循环系统中迁移的癌细胞少，但很多，甚至是大多数致死性的癌症转移（90%的癌症患者死于这种转移）都是由集体迁移造成的。不过，直到2013年，在荷兰奈梅亨大学的Friedl才真正理解了他和同事以前观察到的现象。读了哈佛大学生物工程与物理学教授Jeffrey Fredberg的文章后，他多年的困惑与不解一下子消除了。Fredberg教授的文章指出，细胞可能会发生“拥堵”的现象——它们紧密地挤在一起，以至于形成了一个整体，就像咖啡豆卡在漏斗中一样。

　　Fredberg的研究对象是肺癌细胞，但是Friedl认为，他所观察到的转移的癌细胞可能也发生了类似的“拥堵”现象。Friedl说：“我意识到我和Fredberg观察到的现象本质是相同的，不论从3D角度看还是从运动形式上看。这使我非常兴奋，因为这个概念可以直接用于解释我们的发现。”很快，Friedl发表了新的文章，这是最早将“拥堵”概念运用到对癌细胞实验观测上的文章之一。

　　长期以来，物理学家为医生提供了许多对抗肿瘤的工具，比如辐射与质子束等等，但是直到最近才有人认真考虑这样一种观点：纯粹的物理概念或许也能帮助我们理解世界上致死率最高的现象之一——癌症转移——背后的生物基础。在过去的几年里，研究细胞转移的物理学家已经能够以惊人的准确率预测细胞行为。虽然这些研究仍处在发展初期，但支持者乐观地相信，研究诸如“拥堵”这样的相变（物质状态的改变），会在对抗癌症中扮演着越来越重要的角色。Fredberg说，“显然，‘动量’这样的概念存在于物理学领域中，如果物理学家认同它的存在，那么生物学家也不得不认同，毕竟细胞行为是遵循物理定律的——除此之外别无选择。”

拥堵指数

　　从最广义的范畴上讲，癌症早在物理成为一门学科前就已经遵循物理定律了。古希腊“医学之父”希波克拉底将癌症起名为cancer，直播，这个命名来自于螃蟹（英文为crab），atv，因为肿瘤的形状及周围的血管看起来就像螃蟹的壳与腿。

　　虽然死于实体瘤的人每年不超过800万，但是一旦癌细胞设法离开原肿瘤部位并转移到身体的其他部位，不管是药物治疗还是其他疗法，所能做的就只有将病人的生命延长几年而已。

　　生物学家通常将癌症视为基因程序出错的结果，突变与表观遗传上的变化使细胞出现了异于常态的的行为：控制细胞分裂与生长的基因可能开启表达，而控制细胞程序性死亡的基因则被关闭。然而，对于一些物理学家来说，癌细胞形状变化与行为改变导致的并非错误的基因程序，而是物理上的相转变。虽然现在持有这一观点的物理学家人数较少，但是有越来越多的物理学家已经开始认同这一观点。

　　相变是物理学中的一个基本概念，指材料内部组织结构在有序与无序状态间的一种变化。冰的熔化和水的沸腾过程就是相变的典型例子。物理学家在磁体、晶体、鸟群，甚至人工环境培养的细胞（以及细胞组分）中都观察到了类似相变的变化。