知識圖譜視角下基質(zhì)力學對腫瘤發(fā)生發(fā)展態(tài)勢研究

謝文心,李海濱,王 朋,張 靜

(1.濟寧醫(yī)學院 基礎(chǔ)醫(yī)學院；2.濟寧醫(yī)學院 精準醫(yī)學研究院；3.濟寧醫(yī)學院 圖書館，山東 濟寧 272067)

據(jù)報道，2012年全世界約有820萬人死于癌癥，約占總死亡人數(shù)的13%。預計到2030年，每年將約有1 200萬人死于癌癥[1]。癌細胞的無限增殖和惡性轉(zhuǎn)移是癌癥高死亡率的主要原因[2-3]。研究表明，腫瘤微環(huán)境在腫瘤的生長、侵襲、轉(zhuǎn)移和血管生成等方面起著重要的作用。腫瘤微環(huán)境主要由基質(zhì)細胞、生物因子和細胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)組成。

在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、診斷和治療過程中，力學因素扮演者非常關(guān)鍵的角色[4]。ECM是細胞賴以生存和發(fā)展的外界環(huán)境。ECM由細胞分泌到細胞外間質(zhì)中的膠原蛋白、彈性蛋白、糖蛋白和蛋白聚糖以及附著在它們上面的細胞因子等組裝而成，調(diào)節(jié)組織的發(fā)生和細胞的生理活動。大量研究表明，ECM的力學特征是影響腫瘤細胞行為的重要調(diào)節(jié)因子[5]。多數(shù)實體瘤在發(fā)生發(fā)展過程中常伴隨著細胞外基質(zhì)的異常沉積和交聯(lián)程度增加，從而導致腫瘤基質(zhì)剛度增加[6]。例如，Paszek等研究發(fā)現(xiàn)，乳腺腫瘤的間質(zhì)剛度是正常乳腺的5～20倍，增加ECM的硬度可以誘導乳腺上皮細胞的惡性轉(zhuǎn)化[7]。基質(zhì)剛度的改變可以通過影響腫瘤細胞的形態(tài)、增殖、遷移、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)換、耐藥性和干細胞的分化等調(diào)控腫瘤的失控生長和惡化轉(zhuǎn)移，促進腫瘤的發(fā)展[8-10]。近年來的研究表明，乳腺腫瘤硬度越高往往意味著腫瘤轉(zhuǎn)移風險的增大和存活率的降低[11-13]。Ulrich等發(fā)現(xiàn)，ECM硬度的改變對惡性腦瘤細胞的鋪展面積、黏著斑總面積以及增殖、遷移速率都產(chǎn)生明顯的影響[14]。另外，基質(zhì)剛度還可以影響腫瘤微環(huán)境中的間質(zhì)細胞，促進腫瘤相關(guān)的血管生成和炎癥發(fā)生，形成成腫瘤微環(huán)境[6,15]。

由此可以看出，基質(zhì)力學的變化與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著極為密切的聯(lián)系。 癌癥的診斷與治療是困擾人類多年的醫(yī)學難題。近年來，隨著腫瘤生物力學研究領(lǐng)域的深入，基質(zhì)力學對腫瘤發(fā)生發(fā)展影響的研究也在不斷地發(fā)展和深化，這為癌癥的臨床診斷與治療提供了新的手段。本文旨在通過對近10年Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中基質(zhì)力學對腫瘤發(fā)生發(fā)展方面的相關(guān)文獻進行分析，探討近年來國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考，為癌癥治療藥物的研發(fā)提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 資料來源

本次研究選取Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)收集其收錄的國際上發(fā)表的主題涉及基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展相關(guān)研究的文獻。將“matrix mechanics and tumour，matrix mechanics and cancer，matrix stiffness and tumour，matrix stiffness and cancer，substrate stiffness and tumour，substrate stiffness and cancer”作為主題進行檢索。檢索時間限定為最近10年(2011年—2020年)，經(jīng)檢索，剔除重復文獻，最終得到1 165篇文獻。

1.2 研究方法

在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中導出所檢索到的全部文獻，導出格式為純文本。使用文獻計量工具Bibexcel軟件提取出題錄字段信息，報告年份、國家、期刊、作者和關(guān)鍵詞等。對年份、國家、期刊和作者進行頻次統(tǒng)計后導入Excel中繪制成表格，對文獻中的關(guān)鍵詞進行頻次統(tǒng)計后選取頻次≥10的關(guān)鍵詞使用SPSS 21.0進行系統(tǒng)聚類分析并繪制樹狀圖，選取頻次>40的關(guān)鍵詞分別用VOSviewer軟件進行聚類分析。在VOSviewer軟件中進行Network和Density可視化，以便客觀認識該領(lǐng)域的研究熱點。

2 結(jié)果

2.1 文獻分布情況

2.1.1 國家分布。使用VOSviewer軟件對發(fā)文量≥25篇的國家進行分析，得到聚類視圖和密度視圖，見圖1、圖2。在聚類視圖中，國家與國家間的連線代表不同國家在基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展研究上的交流聯(lián)系，一個國家與其他國家的連線越多說明該國家在此領(lǐng)域與其他國家交流越密切。由圖1可以看出，在對基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究方面，各個國家聯(lián)系密切，尤其是美國，美國幾乎與所有發(fā)文量≥25篇的國家都有聯(lián)系，從圖1中可以看出我國在此領(lǐng)域與各國家的聯(lián)系也較為密切，與美國、加拿大、日本、韓國等均有聯(lián)系。在密度視圖中，根據(jù)國家出現(xiàn)的頻次判斷密度的高低，出現(xiàn)頻次越多，顏色越集中，密度越大。從圖2中不難看出，密度最大的為美國，其次為中國、德國、法國、加拿大、意大利等。在此領(lǐng)域的研究中美國的發(fā)文量要遠遠超過其他國家，我國在此領(lǐng)域發(fā)文量雖然居于前列但離美國仍有較大差距。

圖1 國家分布聚類視圖

圖2 國家分布密度圖譜

2.1.2 年發(fā)文量。從文獻數(shù)量上來看，近10年來對于基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究總體呈平穩(wěn)上升的趨勢。這說明基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究正處在上升期，發(fā)文數(shù)量雖較以往有所增加但數(shù)目并不太多，即使是發(fā)文量最多的2019年也只有184篇。與其他研究領(lǐng)域相比，對于基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究方面發(fā)文量少，仍有較大的發(fā)展空間。

2.1.3 期刊分布。基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展相關(guān)研究發(fā)文量最多的前10種期刊均屬于SCI期刊，發(fā)文量占到了近10年來總發(fā)文量的27.0%，根據(jù)Web of Science數(shù)據(jù)庫2019年公布的影響因子信息，BIOMATERIALS期刊影響因子最高且發(fā)文量位居前列，SCIENTIFIC REPORTS期刊發(fā)文量最多，見表2。

表1 2011年—2020年發(fā)文量

表2 期刊發(fā)文量

2.2 文獻可視化分析

2.2.1 高頻主題詞分析。借助Bibexcel軟件提取出所有相關(guān)文獻中的關(guān)鍵詞, 進行去重處理后按照出現(xiàn)頻次進行降序排列，記出現(xiàn)頻次≥10為高頻主題詞，共得高頻主題詞38個，將所得高頻主題詞導入SPSS 21.0中進行系統(tǒng)聚類分析并繪制樹狀圖，見圖3。由圖3聚類分析所得樹狀圖可將所得高頻主題詞分為三部分，第一部分的關(guān)鍵詞以extracellular matrix為代表，通過對細胞外基質(zhì)進行研究來探討基質(zhì)力學對腫瘤的影響。第二部分的關(guān)鍵詞包括colorectal cancer、fibrosis、migration等，通過研究細胞所處環(huán)境的理化性質(zhì)對癌癥的影響來探究基質(zhì)力學與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系。此部分又可分為兩部分內(nèi)容，一部分主要研究癌癥的致病機理，另一部分主要研究細胞力學。第三部分包括mechanobiology、mechanotransduction、stiffness等，通過研究細胞受到的剪切力、壓力等外部機械力對腫瘤的影響來研究基質(zhì)力學與腫瘤的關(guān)系。

2.2.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析。利用VOSviewer軟件選取出現(xiàn)頻次≥40的關(guān)鍵詞進行共現(xiàn)分析，得到聚類視圖及密度視圖分別如圖4、圖5。圖4的關(guān)鍵詞根據(jù)其位置分布分為3個部分。第一部分位于視圖左上部分，關(guān)鍵詞以膠原蛋白、蛋白表達、力傳導等為代表，該部分的其他關(guān)鍵詞也與這些類似；第二部分位于視圖左下半部分，關(guān)鍵詞為細胞外基質(zhì)、剛度、生長等；第三部分位于視圖右下半部分，關(guān)鍵詞以腫瘤、黏附、轉(zhuǎn)移等為代表。由圖5的關(guān)鍵詞密度視圖可以看出，細胞外基質(zhì)、癌癥、基質(zhì)硬度為目前基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展相關(guān)研究中最為熱門的研究方向。

圖3 高頻主題詞系統(tǒng)聚類樹狀圖

圖4 關(guān)鍵詞的聚類可視化

圖5 關(guān)鍵詞的密度圖譜

3 討論

作為一門重要的交叉前沿學科，腫瘤生物力學已經(jīng)成為生物力學領(lǐng)域備受關(guān)注的一個研究方向[4,24]。以往研究的重點是生物和化學因素，而力學因素對腫瘤發(fā)生發(fā)展影響的研究尚未引起足夠重視[16-18]。細胞外基質(zhì)的力學特性不僅影響腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移，也影響腫瘤的治療。腫瘤細胞可通過黏附分子、黏著斑和應(yīng)力纖維等感知和響應(yīng)細胞外基質(zhì)的力學信號[19-21]。盡管細胞外基質(zhì)力學特性對腫瘤發(fā)展的機理尚不清楚，但近年來相關(guān)研究提示基質(zhì)力學是腫瘤微環(huán)境中不可忽視的重要因素[19,22-23]。

通過文獻計量學和可視化分析可以顯示某領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。本文所示近10年來基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展研究領(lǐng)域的發(fā)文量增長較為平穩(wěn)，這說明對該領(lǐng)域的研究正處在上升期，近5年發(fā)文數(shù)量雖較以往有所增加但并沒有出現(xiàn)大幅度的增長變化，這也說明基質(zhì)力學對癌癥的影響正成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。從國家分布方面來說，在此領(lǐng)域開展科學研究的國家較少，不同國家間的聯(lián)系較為密切，美國在此領(lǐng)域起到主導作用，我國在此領(lǐng)域的研究較為不足。從期刊分布來看，由于此領(lǐng)域的研究較為缺乏，期刊的分布呈現(xiàn)出分散且發(fā)文量少的情況。綜合以上3點可以看出，目前國際上關(guān)于基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究較為缺乏，未來還有極大的發(fā)展空間。

基質(zhì)力學影響腫瘤進展的研究涉及力學、生理學、免疫學、材料學、生物學及生物信息學等多門學科[24]。合作與交流不夠密切是造成此領(lǐng)域研究缺乏的原因之一。關(guān)鍵詞聚類及共現(xiàn)分析結(jié)果顯示，細胞外基質(zhì)的關(guān)鍵詞節(jié)點最大，出現(xiàn)頻次最多，業(yè)內(nèi)研究主題高度一致，所以細胞外基質(zhì)是近10年來該領(lǐng)域的核心熱點。從關(guān)鍵詞密度視圖中可以看到，除細胞外基質(zhì)為核心研究熱點外，剛度、結(jié)構(gòu)、癌癥等關(guān)鍵詞也位于密度視圖中心區(qū)域而且顏色較深。細胞外基質(zhì)的物理性質(zhì)包括基質(zhì)剛度、孔隙率、空間結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)等，目前研究表明腫瘤的發(fā)生發(fā)展常常與這些物理性質(zhì)的改變伴隨發(fā)生。物理結(jié)構(gòu)的影響也是目前較為熱門的研究方向。

本文結(jié)果還顯示近年來基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究主要集中在基質(zhì)力學是如何改變細胞外基質(zhì)的物理特性進而影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的，但基質(zhì)力學對腫瘤的影響不僅僅只是對細胞外基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)造成影響。腫瘤微環(huán)境是由腫瘤細胞、多種間質(zhì)細胞及其所分泌的蛋白組成[6]。間質(zhì)細胞如成纖維細胞可以影響細胞骨架的形成，也能改變細胞外基質(zhì)的組分，因此研究基質(zhì)力學對腫瘤間質(zhì)細胞的影響是有必要的[6,25]。由關(guān)鍵詞分析所得的密度視圖中可以看到有成纖維細胞、纖維化、肌動蛋白等關(guān)鍵詞，說明近10年來針對此方面有相關(guān)研究正在進行，但同樣可以看到此方面的關(guān)鍵詞均位于密度視圖的邊緣，研究熱度較低，需加強此方面的研究。

此外，盡管體內(nèi)外實驗均證明基質(zhì)剛度增加能促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展，但仍存在其他需要解決的難題。①體外實驗常常將細胞培養(yǎng)在二維基底上，但實際上細胞都生活在三維環(huán)境中，兩種環(huán)境下生長的細胞，在形態(tài)、基因和蛋白的表達等方面有著較大的差異[26,27]。因此，在三維環(huán)境中開展研究顯得尤為重要。脫細胞基質(zhì)材料的應(yīng)用和3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，為模擬真實的組織或器官微環(huán)境提供了條件，正受到越來越廣泛的關(guān)注[28-29]。②腫瘤細胞具有異質(zhì)性[30]，靶向轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化程度不同的腫瘤細胞在剛度不同的基質(zhì)中具有不同的增殖和遷移能力，研究基質(zhì)力學對腫瘤細胞異質(zhì)性的影響有利于更準確地理解基質(zhì)力學影響腫瘤發(fā)生發(fā)展、靶向轉(zhuǎn)移、藥物耐受等過程的作用機制[31-32]。

4 結(jié)論

本研究利用文獻計量學的方法分析了近10年國內(nèi)外基質(zhì)力學對腫瘤發(fā)生發(fā)展影響的研究現(xiàn)狀及研究熱點，提示基質(zhì)力學對腫瘤發(fā)生發(fā)展影響的研究正處于快速發(fā)展階段，越來越多的學者參與其中。但目前該領(lǐng)域的研究成果較少，開展相關(guān)研究并取得一定成果的國家較少，團體或國家之間的合作偏低。進一步研究基質(zhì)力學對腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響不僅能深化對腫瘤發(fā)展的認識，也可為腫瘤的精準診療提供理論基礎(chǔ)。