Rozprzestrzenianie się guzów i innych rosnących tkanek ujawniło zupełnie nowy rodzaj fizyki.
W nowych badaniach opublikowanych 24 września w czasopiśmie Nature Physics naukowcy odkryli, że żywe komórki przechodzą z arkuszy 2D do plam 3D w nieznanym wcześniej procesie zwanym „aktywnym zwilżaniem”. A fizyka aktywnego zwilżania może być w stanie wyjaśnić, dlaczego i jak rozprzestrzeniają się nowotwory.
„Gdybyśmy mogli znaleźć sposób na selektywną modyfikację tych sił w prawdziwym guzie, co jest bardzo trudnym zadaniem, moglibyśmy zaprojektować leczenie w celu uniknięcia rozprzestrzeniania się raka”, współautorzy badania Xavier Trepat z Instytutu Bioinżynierii Katalonii w Hiszpania i Carlos Pérez-González z Universidad de La Laguna w Hiszpanii powiedział Live Science w e-mailu.
Aktywna fizyka
Wszelkie zastosowania medyczne do odkryć są dalekie. Trepat i Pérez-González powiedzieli, że ich kolejne kroki będą wymagały głębszej analizy dziwnej fizyki aktywnego zwilżania, o której niewiele wiadomo.
To, co odkryli naukowcy, opiera się na eksperymentach przeprowadzonych na szalce laboratoryjnej z wykorzystaniem ludzkich komórek raka piersi. Wszystko się zaczęło, powiedział Trepat i Pérez-González, badając białko o nazwie E-kadheryna, które zapewnia adhezję między komórkami. Naukowcy chcieli wiedzieć, w jaki sposób białko to reguluje napięcie w tkankach lub grupach komórek. Nie spodziewali się, że napięcie w tkance może wzrosnąć tak wysoko, że ich arkusz tkanki spontanicznie odłączy się od żelu pokrytego kolagenem, którego używali jako podłoża i cofnąłby się w kształt sferoidy.
„Gdy po raz pierwszy zaobserwowaliśmy to zjawisko, nie byliśmy pewni, jak i dlaczego tak się dzieje” - naukowcy powiedzieli Live Science.
Badacze porównali aktywne zwilżanie z zachowaniem tak zwanych płynów pasywnych, w których nie ma żywych struktur zmieniających przepływ płynu. Zwykle w płynach pasywnych zestaw równań fizycznych zwanych równaniami Naviera-Stokesa dyktuje dynamikę płynów. W płynach pasywnych przejście z arkusza 2D do sferoidy 3D nazywa się dewetowaniem. Przeciwnie, sferoid 3D rozciągający się na dwa wymiary, nazywa się zwilżaniem. To, czy nastąpi zwilżanie, czy dewetacja, zależy od napięcia powierzchniowego interfejsu, cieczy i gazu).
Ale kiedy naukowcy bawili się komórkami rakowymi w swoim eksperymencie - zmieniając parametry, takie jak wielkość tkanki i poziomy kadheryny E - odkryli, że komórki nie zachowywały się tak jak zwykłe płyny w pasywnym zwilżaniu i dewetacji. Wynika to z faktu, że wiele aktywnych procesów, od kurczliwości tkanki po adhezję komórki do podłoża, decyduje o tym, czy komórki się kulą lub rozszerzają, jak odkryli naukowcy.
Naukowcy twierdzą, że przejście między rozłożoną fazą zwilżania a kulistą fazą odwadniania zależy od konkurencji między siłami komórkowymi i siłami, które przyczepiają komórkę do podłoża.
Przejścia raka
Tkanki rosną i poruszają się na wiele sposobów, w tym podczas normalnego rozwoju. Ale aktywne przejście w zwilżanie jest ważne, ponieważ jest to kluczowy moment, w którym komórki przechodzą z zamkniętej kulistej w rozpościerającą się, płaską blachę Trepat i Pérez-González. Innymi słowy, gdy okrągłe kule guza rozprzestrzenią się i przyczepią do powierzchni, guz będzie mógł dalej się rozprzestrzeniać.
„Nasze wyniki stworzyły kompleksowe ramy dla zrozumienia, które siły są ważne dla inwazji na raka”, powiedzieli badacze. Dodali naukowcy, że kolejnym etapem prac będzie przeniesienie badań z naczyń laboratoryjnych do żywych tkanek i prawdziwych nowotworów.
Układy biologiczne mogą być trudne do dopasowania do ram fizyki klasycznej, napisali Richard Morris i Alpha Yap w komentarzu towarzyszącym nowej pracy. Morris jest doktorem habilitowanym w Tata Institute for Fundamental Research w Indiach, a Yap jest biologiem komórkowym na University of Queensland w Australii. Ale Morris i Yap napisali, że nowy artykuł jest „cennym krokiem we właściwym kierunku”, dzięki któremu fizyka ma związek z problemami biologicznymi.
„W tym przypadku - pisali - dowiadujemy się, że chociaż idee z fizyki klasycznej mogą być korzystne w charakteryzacji układów biologicznych, analogii nie można przesuwać zbyt daleko i potrzebne są nowe podejścia”.
