Spredningen af tumorer og andre voksende væv har afsløret en helt ny type fysik.
I ny forskning, offentliggjort 24. september i tidsskriftet Nature Physics, fandt forskere, at levende celler overgår fra 2D-ark til 3D-klatter ved en tidligere ukendt proces kaldet "aktiv befugtning". Og fysikken i aktiv befugtning kan muligvis forklare, hvorfor og hvordan kræftformer spreder sig.
”Hvis vi kunne finde vejen til selektivt at modificere disse kræfter i en reel tumor, hvilket er en meget hård opgave, kunne vi designe en behandling for at undgå kræftspredning,” studerer medforfattere Xavier Trepat, Institut for Bioingeniørering i Catalonien i Spanien og Carlos Pérez-González fra Universidad de La Laguna i Spanien fortalte Live Science i en e-mail.
Aktiv fysik
Enhver form for medicinsk ansøgning om fundene er langt væk. Trepat og Pérez-González sagde, at deres næste skridt vil involvere at dykke videre ind i den underlige fysik i aktiv befugtning, om hvilken lidt der endnu ikke er kendt.
Hvad forskerne har fundet er baseret på eksperimenter, der er foretaget i en laboratoriefat, der bruger humane brystkræftceller. Det hele startede, sagde Trepat og Pérez-González med en undersøgelse af et protein kaldet E-cadherin, som giver vedhæftning mellem celler. Forskerne havde ønsket at vide, hvordan dette protein regulerer spændingerne i væv eller grupper af celler. Hvad de ikke forventede var, at spændingen inden i vævet kunne blive så høj, at deres ark væv spontant ville løsne fra den kollagenovertrukne gel, de brugte som et underlag og trækkes tilbage til en sfæroid form.
”Første gang vi observerede dette fænomen, var vi ikke sikre på, hvordan eller hvorfor det skete,” fortalte forskerne til Live Science.
Forskerne kontrasterede aktiv befugtning med opførelsen af såkaldte passive væsker, hvor der ikke er nogen levende strukturer til at ændre væskestrømmen. Normalt i passive væsker dikterer et sæt fysikligninger, der kaldes Navier-Stokes-ligningerne, væskedynamikken. I passive væsker kaldes overgangen fra 2D-ark til 3D-sfæroid dewetting. Det modsatte, en 3D-sfæroid, der spreder sig i to dimensioner, kaldes befugtning. Hvorvidt befugtning eller affugtning sker, styres af overfladespændingen på grænsefladen, væsken og den involverede gas.)
Men da forskerne legede med kræftcellerne i deres eksperiment - forskellige parametre som vævstørrelse og E-cadherin niveauer - fandt de, at cellerne ikke opførte sig som almindelige væsker gør ved passiv befugtning og affugtning. Dette skyldes, at en række aktive processer, fra vævets sammentrækning til cellesubstratadhæsion, bestemmer, om cellerne kugler op eller spreder sig, fandt forskerne.
Overgangen mellem den spredte befugtningsfase og afbalanceret befugtningsfase afhænger af konkurrence mellem celle-celle kræfter og kræfter, der binder cellen til underlaget, sagde forskerne.
Kræftovergange
Væv vokser og bevæger sig på mange måder, også under normal udvikling. Men den aktive befugtningsovergang er vigtig, fordi det er det vigtigste øjeblik, at celler går fra et indesluttet sfærisk til et spredende, fladt ark Trepat og Pérez-González sagde. Med andre ord, når cirkulære kugler af tumor spredes ud og fastgøres til en overflade er tumoren i stand til at sprede sig yderligere.
"Vores resultater opstiller en omfattende ramme for at forstå, hvilke kræfter der er vigtige for kræftinvasion," sagde efterforskerne. En del af den næste fase af arbejdet vil være at flytte undersøgelserne ud af laboratoriefat og ind i levende væv og virkelige tumorer, tilføjede forskerne.
Biologiske systemer kan være svære at passe ind i klassiske fysikrammer, skrev Richard Morris og Alpha Yap i en kommentar, der ledsager den nye artikel. Morris er postdoktorisk forsker ved Tata Institute for Fundamental Research i Indien, og Yap er cellebiolog ved University of Queensland i Australien. Men den nye artikel er et "værdifuldt skridt i den rigtige retning" til at gøre fysik relevant for biologiske problemer, skrev Morris og Yap.
"I dette tilfælde," skrev de, "lærer vi, at selvom ideer fra klassisk fysik kan være gavnlige ved karakteriseringen af biologiske systemer, må analogien ikke skubbes for langt, og der er behov for nye tilgange."
