Tumor si običajno predstavljamo kot togo grudo rakavih celic; toda kako bi lahko tako tog grozd vdrl v okoliško mikrookolje? Za odgovor na to vprašanje je mednarodno sodelovanje raziskovalcev združilo računalniške simulacije z mehanskimi meritvami. Njihove ugotovitve, objavljene v Naravna fizika, kažejo, da precejšen odstotek rakavih celic pridobi visoko stopnjo mehanske deformabilnosti, da postanejo bolj mobilne in posledično lahko vstopijo v gosto okoliško tkivo.
Znano je že, da so rakave celice podvržene dediferenciaciji, procesu, v katerem se premaknejo v bolj neurejeno stanje z mehkejšim citoskeletom. Znano pa je, da se celični agregati zatikajo, kar preprečuje nadaljnje širjenje celic. To poudarja mehanski vpliv prehodov med trdno in tekočino na obnašanje mase tkiva.
Poleg tega so raziskave pokazale, da se fluidnost ali togost skupkov tumorskih celic uravnava z uničenjem celic. Znano je tudi, da so rakave celice zelo mehansko občutljive – lahko se mehansko prilagajajo svojemu mikrookolju.
"Paradoks, da pri tumorjih dojke celice, ki postanejo mehkejše, dejansko tvorijo strukturo, ki je trša od prvotnega tkiva, je le navidezno protislovje," pojasnjuje Jožef Käs iz Univerza v Leipzigu. "Ta učinek je dodatno okrepljen, ker se tukaj večinoma zelo mehke maščobne celice v zdravih dojkah primerjajo s celicami, ki so mehkejše od zdravih epitelijskih celic, vendar še vedno znatno trše od maščobnih celic."
Na podlagi računalniških simulacij, ki so jih izvedli fiziki na Northeastern Universityje Univerza v Kaliforniji, Santa Barbara in Univerza Sirakuze, je Käsova skupina raziskovala tkivne eksplantate raka dojke in materničnega vratu z uporabo različnih tehnik, vključno z reologijo masivnega tkiva na osnovi mikroskopije z atomsko silo (AFM). Delo v sodelovanju z ekipo raziskovalci raka in patologi at Univerzitetna bolnišnica Leipzig in Medicinska fakulteta Albert Einstein, so dokazali obstoj nekaj trdnih otokov togih celic, povezanih z mehanskimi napetostnimi mostovi mehkih, mobilnih celic.
Migracija celic Simulacije invazivne celice (zelena), ki se premika skozi tkivo, ki vsebuje toge (svetlo modre) in mehke (temno modre) celice. Zgoraj: tkivo je v zagozdenem, trdnem stanju in invazivna celica je obtičala in se ne more premakniti. Središče: v heterogenem tkivu invazivna celica kaže zelo intermitentno migracijsko dinamiko. Spodaj: tkivo je v popolnoma nezagozdenem stanju, podobnem tekočini, in invazivna celica se premika z relativno lahkoto. (Z dovoljenjem: Max Bi, Xinzhi Li)
AFM je mikroskopska tehnika s subnanometrsko ločljivostjo, ki temelji na vrstični sondi. V tej študiji so raziskovalci uporabili tehniko, da bi pridobili znanje o mehanskih parametrih, kot je elastičnost tumorskih celic v živih tumorskih eksplantatih. To jim je omogočilo, da so zajeli lokalno, heterogeno porazdelitev togosti tkiva, saj zemljevidi AFM prikazujejo toge (zagozdene) in mehke (nezagozdene) regije.
Fizika razkriva, kako se rak dojke širi na kosti
Ta struktura je bila dodatno potrjena s sledenjem vitalnih celic prek sferoidov rakavih celic. Raziskovalci pojasnjujejo, da to heterogeno stanje dovolj stabilizira tkivo, da omogoči rast tumorja, hkrati pa zagotavlja prožnost za mehke, gibljive celice, da uidejo tumorju in posledično tvorijo metastaze.
Thomas Fuhs, eden od vodilnih avtorjev te študije, je optimističen, da njihovi zadnji rezultati dodajajo nov vpogled v mehaniko rakavih celic in tumorskega tkiva. Bolj eksplicitno, ali celice v tumorju ostanejo popolnoma zagozdene – kot v zdravem tkivu – ali pa so sposobne zamašiti in se zmehčati, lahko bistveno vpliva na to, ali tumor metastazira ali ne.
