Держите связь

В мире

Возможность образования метастаз может зависеть от того, насколько раковые клетки сжаты тканями организма

Фазовый переход между сжатыми и подвижными формами может мобилизовать группы онкоклеток, не требуя преображения одного типа в другой.






раковая опухоль

Более века ученым было известно, что отдельные раковые клетки могут давать метастазы, мигрируя через кровоток и лимфатическую систему. Однако в некоторых случая метастазы развиваются быстро, вызывая серьезные осложнения, как правила оканчивающиеся смертью больного, а в других случаях раковая опухоль локализуется определенном месте, годами не вызывая никаких побочных явлений.

Механизм этих процессов неизвестен до сих пор, однако, в конце прошлого века выяснилось что раковые клетки часто двигаются кластерами, причем именно эти мобильные образования в большинстве случаев порождают случаи метастатической инвазии, которые в 90% случаев являются причиной смерти от рака.

Профессор биоинженерии и физиологии Гарвардского университета Джеффри Фредберг высказал предположение, что клетки онкоопухолей имеют либо вязкую структуру либо, будучи сжатыми окружающими тканями, могут быть спрессованы так плотно, что начинают существовать как одна физиологическая единица. И  ряде случаев такие кластеры могут застревать в межтканевых пространствах организма. Таким образом, распространение метастаз и их отсутствие в ряде случаев может иметь чисто физические причины, то есть, заклинивание кластеров может играть важную роль распространении рака в организме.

Биологи, как правило, называют причиной рака сбой генетической программы, мутацию, эпигенетические изменения клеток. Однако с недавнего времени к изучению проблемы подключились физики, которые считают причиной метастаз не генетические изменения, а фазовый переход, «балансирование» клетки между упорядоченной и неупорядоченной структурой, изменение ее «агрегатного состояния».

Классические процессы фазового перехода — это таяние льда или кипячение воды. Ученые также обнаружили такие переходы в магнитах, кристаллах, и даже в тканевых клетках, размещаемых в искусственных средах. Но по сравнению с таким однородным материалом, как вода, магнит, или совокупность однородных клеток в чашке Петри, раковые клетки представляют собой хаотическое скопление разнородных структур. Даже в одной опухоли клетки имеют разные формы, размеры и состав, однако в отличие от биологов, которые склонны искать различия в структуре, физики пытались обнаружить общие свойства, отличающие раковые клетки от обычных.

В частности, физики Андреа Лю из Университета штата Пенсильвания и Сидней Нагель из Университета Чикаго опубликовали в 1998 году работу о процессе «заклинивания» раковых образований. Этот процесс, пояснили они, часто встречается: когда множество бутылочных пробок, куча песка, или кофейные зерна, высыпаясь в бункер через воронку, забивают ее отверстие. В том случае отдельные элементы сжимаясь под действием внешней силы скрепляются так, что напоминают по своим физическим свойствам твердое тело. Лю и Нагель выдвинули предложение, что защемление может вызвать фазовый переход, при котором группа раковых клеток, зажатая тканями организма, меняет агрегатное состояние, теряет вязкость и становится похожа единое образование.

По мнению Фредберга раковые клетки в ткани легкого тесно именно так и прижаты друг к другу, как кофейные зерна и или песок в  воронке. В это случае клетки можно задержать в тканях и тогда большую роль в образовании метастаз начинает играть не столько генетика, сколько механика. «Люди всегда думали, что механические явления в организме не имеют  значения, — сказал Фредберг, — однако физические и механические процессы могут оказаться важнее генетических факторов. Клетки обязаны подчиняться законам физики  — у них нет выбора»

Лиза Мэннинг, физик Сиракузского университета, использовала двумерную модель из клеток, соединенных между собой по краям и на вершинах, которые заполняли собой все пространство. Модель показала существование определенного параметра упорядочения, определяющего некое свойство материала названое ей «индекс формы», который представляет собой соотношение периметра двумерного среза клетки и ее общей площади. Выяснилось, что при значении  этого числа 3.81 или ниже, ткань является прочной и твердой, но когда это число превышает 3.81, ткань приобретает свойства жидкости. В частности, клетки с индексом формы выше 3.81 могли менять форму и протискиваться между клетками ткани организма.

Физик из Лейпцигского университета в Германии Йозеф Кейс, решил, что такое изменение состояние клеток может объяснить загадочное поведение раковых опухолей, которые имеют мягкую мобильную разновидность клеток, способных проникать в окружающую среду. Вполне возможно, что отсутствие сжатия опухоли переводит клетки в полужидкую стадию. Тогда анализ биопсии на основе измерений опухолевых клеток и определение соотношения полужидких клеток поможет определить, способна ли опухоль к образованию метастаз.

Используя лазер для поиска возможных сжатий в опухолях, Кейс надеется добиться результатов в этом году. В другом исследовании он ищет фазовые переходы не только в раковых клетках, но и в волокнах, окружающих  опухоль. Эти исследования дают новые возможности подбирать более щадящие способы лечения, чем современные шоковые методы подавления опухоли. «Если вам удастся сжать всю опухоль, то она станет доброкачественной, — пояснил Кейс. —  Если вы сожмете ее большую часть, то у вас будет еще лет 20, и можно не использовать разрушительную химиотерапию».

По мнению онкологов, метастазы, как правило, требуют перехода от эпителиальной клетки, составляющей основную часть твердых образований более подвижной мезенхимальной клетке, которая часто циркулирует по кровотоку раковых больных. Однако все больше исследований показывает активность миграции клеточных кластеров, поэтому исследователи стали сомневаться, может ли активность одиноких мезенхимальных клеток быть достаточной для образования метастаз. Фазовый переход между сжатыми и подвижными формами может мобилизовать группы онкоклеток, не требуя кардинального преображения одного типа клетки в другой. Это позволит метостатическим клеткам взаимодействовать друг с другом, давая им преимущество в колонизации нового пространства.

В настоящее время, помимо этих двух фаз обнаружен целый ряд промежуточных состояний клетки. «Раньше считалось, том что рак может воспроизводить свойства либо твердого тела и либо жидкости, — отметила Мэннинг, — теперь мы знаем, что это справедливо лишь для крайних состояний». Основываясь на этих исследованиях, бофизик университета Райса Герберт Левин, создал модель метастазирования на основе понятий, заимствованных из нелинейной динамики. Он предсказал существование кластеров циркулирующих образований, которые имеют черты как эпителиальных, так и мезенхимальных клеток, однако такие переходные формы пока не известны биологам, хотя поиск такой ткани в организме человека ведется весьма активно.

К сожалению, все современные модели агрегатных состояний онкоклеток несовершенны, например, модели Мэннинга ограничены двумя измерениями, хотя опухоли являются трехмерным образованием. Кроме того, кластеры клеток не так просты, как слипшиеся кофейные зерна — клетки опухолевой ткани изменяют свои механические свойства сложным образом, через генетические программы и другие системы обратной связи. Так что, при использовании теории фазового перехода, как концептуальной основы изучения рака, необходимо учитывать, что клетки не являются пассивным элементом организма.

Исследователи отмечают, что механизм  сжимания напоминают процесс, который  биологи называют экструзия, когда мертвые эпителиальные клетки выдавливаются из переполненной ткани — дисфункция, которая уже была включена в описание развития некоторых видов рака. Модель ткани, заполняющей все пространство, рождает проблему учета всех подробностей взаимодействия клетки со своим окружением. Как признается Мэннинг, несмотря на то, что процесс сжимания клеток играет большую роль при развитии определенных видах рака, объяснить процессы только механикой невозможно.

Биофизик Принстонского университета Роберт Остин предупреждает, что фазовые переходы могут быть удивительно сложными. Даже в, казалось бы, элементарном процессе — замерзании воды, необходимы громоздкие расчеты для определения точки перехода, а в процессах онкологии следует учитывать намного больше факторов. Кроме того, теория не будет работать, если физики привлекут к работе биологов и врачей. Однако пока большинство биологов никогда не слышали о теории фазового перехода применительно к раковым клеткам. «Я могу придумать некоторые фазовые диаграммы, но в конце их нужно перевести на язык, который имеет отношение к онкологам» — пояснил Кейс. По словам Фредберга, как только будут найдены доказательства того, что клетки перемещаются коллективно и меняют фазовые состояния, доведение этих результатов до биологов станет лишь вопросом времени, после чего ученые получат новый инструмент изучения процессов метастазирования раковых клеток и поиска эффективного механизма борьбы с онкологическими заболеваниями.

comments powered by HyperComments

comments powered by HyperComments

Еще в категории В мире