De verspreiding van tumoren en ander groeiend weefsel heeft een geheel nieuw type fysica onthuld.
In nieuw onderzoek, gepubliceerd op 24 september in het tijdschrift Nature Physics, ontdekten wetenschappers dat levende cellen van 2D-vellen overgaan op 3D-blobs door een voorheen onbekend proces dat 'actieve bevochtiging' wordt genoemd. En de fysica van actieve bevochtiging kan mogelijk verklaren waarom en hoe kankers zich verspreiden.
"Als we de manier zouden kunnen vinden om deze krachten selectief te modificeren in een echte tumor, wat een zeer moeilijke taak is, zouden we een behandeling kunnen ontwerpen om verspreiding van kanker te voorkomen", bestuderen co-auteurs Xavier Trepat, van het Institute for Bioengineering of Catalonia in Spanje en Carlos Pérez-González, van de Universidad de La Laguna in Spanje, vertelden WordsSideKick.com in een e-mail.
Actieve natuurkunde
Elke vorm van medische toepassing voor de bevindingen is nog ver weg. Trepat en Pérez-González zeiden dat hun volgende stappen erin bestaan verder in te gaan op de vreemde fysica van actieve bevochtiging, waarover nog weinig bekend is.
Wat de onderzoekers hebben gevonden, is gebaseerd op experimenten in een laboratoriumschaal met menselijke borstkankercellen. Het begon allemaal, zeiden Trepat en Pérez-González, met een onderzoek naar een eiwit genaamd E-cadherine, dat zorgt voor adhesie tussen cellen. De onderzoekers wilden weten hoe dit eiwit de spanning in weefsels of celgroepen reguleert. Wat ze niet hadden verwacht, was dat de spanning in het weefsel zo hoog zou kunnen worden dat hun vel weefsel spontaan los zou komen van de met collageen beklede gel die ze als substraat gebruikten en zich zou terugtrekken in een bolvorm.
'De eerste keer dat we dit fenomeen waarnamen, wisten we niet zeker hoe of waarom het gebeurde', vertelden de onderzoekers aan WordsSideKick.com.
De onderzoekers vergeleken actieve bevochtiging met het gedrag van zogenaamde passieve vloeistoffen, waarbij er geen levende structuren zijn om de vloeistofstroom te veranderen. Normaal gesproken dicteert een reeks natuurkundige vergelijkingen, bekend als de Navier-Stokes-vergelijkingen, in passieve vloeistoffen de vloeistofdynamica. In passieve vloeistoffen wordt de overgang van 2D-plaat naar 3D-sferoïde dewetting genoemd. Het tegenovergestelde, een 3D-sferoïde die zich in twee dimensies verspreidt, wordt bevochtiging genoemd. Of bevochtiging of ontwetting plaatsvindt, wordt bepaald door de oppervlaktespanning van de interface, de vloeistof en het gas.)
Maar terwijl de onderzoekers in hun experiment met de kankercellen speelden - variërende parameters zoals weefselgrootte en E-cadherinegehaltes - ontdekten ze dat de cellen zich niet gedroegen zoals gewone vloeistoffen bij passieve bevochtiging en ontwatering. Dit komt omdat een aantal actieve processen, van de contractiliteit van het weefsel tot de adhesie van het celsubstraat, bepalen of de cellen opbollen of zich verspreiden, vonden de onderzoekers.
De overgang tussen de verspreide bevochtigingsfase en de opgeblazen ontwateringfase hangt af van de concurrentie tussen celcelkrachten en krachten die de cel aan het substraat hechten, aldus de onderzoekers.
Kankerovergangen
Weefsels groeien en bewegen op veel manieren, ook tijdens normale ontwikkeling. Maar de actieve bevochtigingstransitie is belangrijk, omdat het het belangrijkste moment is dat cellen van een ingesloten bolvormig naar een spreidend, plat vel gaan, zeiden Trepat en Pérez-González. Met andere woorden, zodra cirkelvormige tumorballen zich verspreiden en zich hechten aan een oppervlak, kan de tumor zich verder verspreiden.
"Onze resultaten hebben een uitgebreid kader opgezet om te begrijpen welke krachten belangrijk zijn voor de invasie van kanker", aldus de onderzoekers. Een deel van de volgende fase van het werk zal zijn om de onderzoeken uit laboratoriumschotels te verplaatsen naar levend weefsel en echte tumoren, voegde de onderzoekers eraan toe.
Biologische systemen kunnen moeilijk in te passen zijn in klassieke natuurkundige kaders, schreven Richard Morris en Alpha Yap in een commentaar bij het nieuwe artikel. Morris is postdoctoraal onderzoeker aan het Tata Institute for Fundamental Research in India en Yap is celbioloog aan de University of Queensland in Australië. Maar het nieuwe artikel is een "waardevolle stap in de goede richting" om de fysica relevant te maken voor biologische problemen, schreven Morris en Yap.
'In dit geval', schreven ze, 'leren we dat, hoewel ideeën uit de klassieke natuurkunde nuttig kunnen zijn bij de karakterisering van biologische systemen, de analogie niet te ver mag worden doorgedreven en dat er nieuwe benaderingen nodig zijn.'
