Vi tänker vanligtvis på en tumör som en stel klump av cancerceller; men hur kunde ett så stelt kluster invadera dess omgivande mikromiljö? För att svara på denna fråga har ett internationellt samarbete av forskare kombinerat datorsimuleringar med mekaniska mätningar. Deras resultat, publicerade i Naturfysik, visar att en avsevärd andel cancerceller förvärvar en hög grad av mekanisk deformerbarhet för att bli mer rörliga och följaktligen kan komma in i tät omgivande vävnad.
Det är redan känt att cancerceller genomgår dedifferentiering, en process där de går mot ett mer oordnat tillstånd med ett mjukare cytoskelett. Emellertid är cellaggregat kända för att uppvisa störning, vilket förhindrar ytterligare spridning av celler. Detta belyser den mekaniska påverkan av fast-vätskeövergångar på vävnadsbulkbeteende.
Vidare har forskning visat att fluiditeten eller stelheten hos tumörcellkluster regleras av cellavstängning. Cancerceller är också kända för att vara mycket mekanokänsliga - de kan mekaniskt anpassa sig till sin mikromiljö.
"Paradoxen att celler som blir mjukare i brösttumörer faktiskt bildar en struktur som är hårdare än den ursprungliga vävnaden är bara en uppenbar motsägelse", förklarar Joseph Käs från Leipzig universitet. "Denna effekt förstärks ytterligare eftersom här främst mycket mjuka fettceller i det friska bröstet jämförs med celler som är mjukare än friska epitelceller, men ändå betydligt hårdare än fettceller."
Motiverad av datorsimuleringar utförda av fysiker vid Northeastern University, den University of California, Santa Barbara och Syracuse UniversityKäss grupp undersökte vävnadsexplantat från bröst- och livmoderhalscancer med hjälp av olika tekniker, inklusive atomic-force-microscopy (AFM)-baserad bulkvävnadsreologi. Arbetar i samarbete med ett team av cancerforskare och patologer at Leipzigs universitetssjukhus och Albert Einstein College of Medicine, visade de förekomsten av några solida öar av stela celler, sammankopplade av mekaniska spänningsbroar av mjuka, rörliga celler.
Cellmigrering Simuleringar av en invaderande cell (grön) som rör sig genom vävnad som innehåller både stela (ljusblå) och mjuka (mörkblå) celler. Överst: vävnaden är i fast, fast-liknande tillstånd och den invaderande cellen har fastnat och kan inte röra sig. Centrum: i heterogen vävnad visar den invaderande cellen mycket intermittent migrationsdynamik. Nederst: vävnaden är helt fri, vätskeliknande tillstånd och den invaderande cellen rör sig relativt lätt. (Med tillstånd: Max Bi, Xinzhi Li)
AFM är en scanningsprobbaserad mikroskopiteknik med subnanometerupplösning. I den här studien använde forskarna tekniken för att få kunskap om mekaniska parametrar som tumörcellelasticitet över de levande tumörexplantaten. Detta gjorde det möjligt för dem att fånga den lokala, heterogena fördelningen av vävnadsstyvhet, eftersom AFM-kartorna visar både stela (fasta) och mjuka (ej fastnade) regioner.
Fysiken belyser hur bröstcancer sprider sig till skelettet
Denna struktur bekräftades ytterligare genom att spåra vitala celler över cancercellsfäroider. Forskarna klargör att detta heterogena tillstånd stabiliserar vävnaden tillräckligt för att tillåta tumörtillväxt, samtidigt som det ger flexibilitet för mjuka, rörliga celler att fly tumören och följaktligen bilda metastaser.
Thomas Fuhs, en av huvudförfattarna till denna studie, är optimistisk att deras senaste resultat ger ny insikt i mekaniken hos cancerceller och tumörvävnad. Mer uttryckligen, huruvida cellerna i en tumör förblir helt fastnade – som i frisk vävnad – eller kan ta bort och mjukna kan göra stor skillnad för om en tumör metastaserar eller inte.
