Normalerweise stellen wir uns einen Tumor als starren Klumpen von Krebszellen vor; aber wie könnte ein so starrer Cluster in seine umgebende Mikroumgebung eindringen? Um diese Frage zu beantworten, hat eine internationale Zusammenarbeit von Forschern Computersimulationen mit mechanischen Messungen kombiniert. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Naturphysikzeigen, dass ein erheblicher Prozentsatz von Krebszellen ein hohes Maß an mechanischer Verformbarkeit erlangt, um mobiler zu werden, und folglich in der Lage ist, in dichtes umgebendes Gewebe einzudringen.
Es ist bereits bekannt, dass Krebszellen einer Dedifferenzierung unterliegen, einem Prozess, bei dem sie sich in einen ungeordneteren Zustand mit einem weicheren Zytoskelett bewegen. Es ist jedoch bekannt, dass Zellaggregate ein Verklemmen aufweisen, was eine weitere Ausbreitung von Zellen verhindert. Dies unterstreicht den mechanischen Einfluss von Fest-Flüssig-Übergängen auf das Volumenverhalten von Gewebe.
Darüber hinaus hat die Forschung gezeigt, dass die Fluidität oder Starrheit von Tumorzellclustern durch das Entstauen von Zellen reguliert wird. Krebszellen sind auch als hoch mechanosensitiv bekannt – sie können sich mechanisch an ihre Mikroumgebung anpassen.
„Das Paradoxon, dass bei Brusttumoren weicher werdende Zellen tatsächlich eine härtere Struktur bilden als das ursprüngliche Gewebe, ist nur ein scheinbarer Widerspruch“, erklärt sie Josef Käs für Universität Leipzig. „Dieser Effekt wird noch verstärkt, weil hier überwiegend sehr weiche Fettzellen in der gesunden Brust mit Zellen verglichen werden, die weicher als gesunde Epithelzellen, aber immer noch deutlich härter als Fettzellen sind.“
Motiviert durch Computersimulationen durchgeführt von Physikern bei Northeastern University, der University of California, Santa Barbara und Syracuse Universityuntersuchte die Gruppe von Käs Gewebeexplantate von Brust- und Gebärmutterhalskrebs mit verschiedenen Techniken, einschließlich der auf Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierenden Bulk-Geweberheologie. Zusammenarbeit mit einem Team von Krebsforscher und Pathologen at Leipziger Universitätsklinikum und Albert Einstein College of Medicine, demonstrierten sie die Existenz einiger weniger fester Inseln aus starren Zellen, die durch mechanische Spannungsbrücken aus weichen, beweglichen Zellen verbunden sind.
Zellmigration Simulationen einer eindringenden Zelle (grün), die sich durch Gewebe bewegt, das sowohl starre (hellblau) als auch weiche (dunkelblau) Zellen enthält. Oben: Das Gewebe befindet sich in einem verklemmten, festen Zustand und die eindringende Zelle steckt fest und kann sich nicht bewegen. Mitte: In heterogenem Gewebe zeigt die eindringende Zelle eine stark intermittierende Migrationsdynamik. Unten: Das Gewebe befindet sich in einem völlig ungestauten, flüssigkeitsähnlichen Zustand und die eindringende Zelle bewegt sich relativ leicht. (Mit freundlicher Genehmigung von Max Bi, Xinzhi Li)
AFM ist ein rastersondenbasiertes Mikroskopieverfahren mit Subnanometerauflösung. In dieser Studie nutzten die Forscher die Technik, um Erkenntnisse über mechanische Parameter wie die Elastizität der Tumorzellen über die lebenden Tumorexplantate hinweg zu gewinnen. Dadurch konnten sie die lokale, heterogene Verteilung der Gewebesteifigkeit erfassen, da die AFM-Karten sowohl starre (eingeklemmte) als auch weiche (nicht eingeklemmte) Regionen zeigen.
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Diese Struktur wurde weiter bestätigt, indem vitale Zellen über Krebszellen-Sphäroide hinweg verfolgt wurden. Die Forscher klären auf, dass dieser heterogene Zustand das Gewebe ausreichend stabilisiert, um ein Tumorwachstum zu ermöglichen, und gleichzeitig weichen, beweglichen Zellen Flexibilität bietet, um dem Tumor zu entkommen und folglich Metastasen zu bilden.
Thomas Fuhs, einer der Hauptautoren dieser Studie, ist optimistisch, dass ihre jüngsten Ergebnisse neue Einblicke in die Mechanik von Krebszellen und Tumorgewebe liefern werden. Genauer gesagt, ob die Zellen in einem Tumor vollständig eingeklemmt bleiben – wie in gesundem Gewebe – oder sich lösen und aufweichen können, kann entscheidend dafür sein, ob ein Tumor metastasiert oder nicht.
