細胞在病理情況下常常會出現細胞骨架系統異常。如阿爾茨海默癥患者，在腦神經元中發現有大量扭曲變形的微管和大量受損的中間纖維；在惡性轉化的細胞中，常表現為微管減少和解聚，細胞骨架異常可增強癌細胞的運動能力。研究表明，微絲束及其末端黏著斑的破壞以及肌動蛋白小體的出現，與腫瘤細胞的浸潤和轉移特性有關。
此外，中間纖維的分布具有嚴格的組織特異性，絕大多數腫瘤細胞在發生轉移后仍表現其原發腫瘤的中間纖維類型，故可作為臨床腫瘤的鑒別診斷和腫瘤細胞是否轉移的判據。中間纖維顯微技術與羊膜刺穿結合，可用于先天胎兒畸形的診斷，例如，若羊水中含有神經元纖維和神經膠質纖維細胞，則提示胎兒或有中樞神經系統畸形。