一种名为“构型指纹识别”的新技术，有望帮助科学家逐步了解肿瘤的易变性及其癌变的可能性。
该技术通过分析细胞的形态（固态、液态或气态）以及细胞可能的扩散和突变方式来实现。
较为固态的肿瘤可能相对稳定，而更接近液态的肿瘤则可能更容易发生突变并发生转移。
随着生物体的生长，其质地也随之变化。在初期阶段，胚胎呈现近似液态的状态，使其细胞得以分裂和扩张。随着发育成熟，其组织和器官逐渐凝固成最终形态。在某些物种中，生物体的这种物理状态可以指示其发育阶段，甚至反映其总体健康状况。
如今，麻省理工学院的研究人员发现，组织细胞的排列方式可作为该组织“相态”的指纹。他们开发了一种方法，通过解析组织细胞图像，快速判断该组织更接近固体、液体，还是气体。相关研究成果于本周发表在《美国国家科学院院刊》上。《美国国家科学院院刊》。
研究团队希望，这一被他们命名为“构型指纹识别”的方法，能够帮助科学家追踪胚胎发育过程中的物理变化。更为迫切的是，他们正将该方法应用于研究并最终诊断一种特定类型的组织：肿瘤。
在癌症研究中，已有证据表明，与胚胎类似，肿瘤的物理状态可能预示其生长阶段。较为固态的肿瘤可能相对稳定，而更接近液态的肿瘤则可能更容易发生突变并发生转移。
麻省理工学院的研究人员正在分析在实验室中培育以及从患者身上活检获取的肿瘤图像，以识别能够表明肿瘤更接近固体、液体还是气体的细胞指纹。他们设想，医生有朝一日可以将肿瘤细胞图像与细胞指纹进行比对，从而快速判断肿瘤的相态，并最终判断癌症的进展情况。
“我们的方法可以非常轻松地诊断癌症的状态，只需检查活检样本中的细胞位置即可，”麻省理工学院机械工程副教授郭明（Ming Guo）说道。“我们希望，医生只需观察细胞的位置，就能直接判断肿瘤是否非常坚实（即尚无法发生转移），或者是否更接近液态，从而判断患者是否处于危险之中。”
郭明的合著者包括麻省理工学院的杨海倩（Haiqian Yang）、韩宇龙（Yulong Han）、唐文辉（Wenhui Tang）和Rohan Abeyaratne，渥太华大学的Adrian Pegoraro，以及东北大学的毕大鹏（Dapeng Bi）。
三角形有序性
在理想的固体中，材料的各个组成单元排列成有序的晶格结构，例如一块晶体中的原子。如果将晶体切下一片并平放在桌面上，就会发现原子的排列方式使得人们可以将它们连接成一种重复的三角形图案。在理想的固体中，由于原子之间的间距完全相同，连接它们的三角形通常呈等边形状。
郭明以此结构为模板，构建了一个理想的固体结构，其设想是将其作为参照，用于比较实际上并非完全固态的组织和肿瘤的细胞构型。
“真实的组织从来都不是完全有序的，”郭明说道，“它们大多是无序的。但即便如此，其无序程度仍存在细微差异。”
基于这一思路，研究团队从各类组织的图像入手，利用软件绘制组织细胞之间的三角形连接关系。与理想固体中的等边三角形不同，所绘制的图形呈现出各种形状和大小的三角形，这表明细胞具有不同程度的空间有序性（及无序性）。
对于图像中的每一个三角形，研究人员测量了两个关键参数：体积有序度，即三角形所围合的空间；以及剪切有序度，即三角形的形状与等边形之间的偏离程度。第一个参数反映材料的密度涨落，第二个参数则说明材料发生形变的倾向。研究人员发现，仅凭这两个参数，就足以表征组织更接近固体、液体还是气体。
“我们直接计算这两个参数与理想固体相比的精确数值，并将这些精确数值用作我们的指纹，”郭明解释道。
蒸汽状触须
研究团队在多种不同情景下测试了其全新的指纹识别技术。第一个情景是模拟实验，他们对两种分子的混合过程进行建模，并逐步提高其浓度。在每一种浓度下，他们将分子绘制成三角形，然后测量每个三角形的两个参数。通过这些测量数据，他们确定了分子的相态，并成功再现了预期的气态、液态和固态之间的转变。
“人们对这个非常简单的体系的预期是什么，我们所看到的结果就完全符合这一预期，”郭明说道，“这证明了我们方法的能力。”
随后，研究人员将其方法应用于以细胞而非分子为对象的体系中。例如，他们观察了其他研究人员拍摄的果蝇翅膀生长过程视频。通过应用该方法，他们能够识别出发育中的翅膀中由固态转变为更接近液态的区域。
“作为一种流体，这可能有助于生长，”郭明说道，“具体机制如何，目前仍在研究之中。”
他和团队还利用人类乳腺组织的细胞培育出了小型肿瘤，并观察到这些肿瘤长出了类似附肢的触须，这是早期转移的迹象。在绘制肿瘤中细胞构型时，他们发现，非侵袭性肿瘤介于固态与液态之间，侵袭性肿瘤则更接近气态，而触须则呈现出更加无序的状态。
“侵袭性肿瘤更像蒸汽，它们渴望扩散，无处不在，”郭明说道，“液体几乎无法被压缩，但气体是可压缩的，它们可以轻易地膨胀和收缩，而这正是我们在此看到的现象。”
该团队正在使用人类癌症活检样本开展工作，对这些样本进行成像和分析，以完善其细胞指纹。郭明设想，未来绘制组织相态图谱，有望成为一种快速且侵入性较小的方法，用于诊断多种类型的癌症。
“医生通常需要先进行活检，然后根据癌症类型对不同标志物进行染色，才能做出诊断，”郭明说道，“或许有朝一日，我们可以利用光学工具透视人体内部，无需接触患者，即可观察细胞的位置，并直接判断患者所处的癌症阶段”
本研究部分得到了美国国立卫生研究院、MathWorks公司以及麻省理工学院Jeptha H. and Emily V. Wade奖的资助。
