Концепция в физике конденсированных сред, называемая помехами, обеспечивает возможный прогностический инструмент для рака.
Рак — очень сложное, многогранное заболевание, на долю которого приходится почти каждая шестая смерть во всем мире. Более 90% смертей от рака связаны с метастазированием — процессом, при котором раковые клетки покидают первичную опухоль, распространяются по организму и образуют вторичную опухоль в отдаленном органе или ткани. Учитывая эти отрезвляющие цифры, неудивительно, что исследователи считают, что лучшее механистическое понимание метастазирования имеет огромное значение в борьбе с раком. Что, пожалуй, больше удивляет, так это то, что ключевую роль в этой борьбе может сыграть физика конденсированного состояния. Пабло Готтейл из Лейпцигского университета в Германии и его коллеги продемонстрировали, почему это так, показав, что концепции мягкой конденсированной материи — в частности, физики неупорядоченных систем — могут улучшить долгосрочную оценку риска метастазирования у пациентов с раком молочной железы [1]. ].
Физики уже давно вносят свой вклад в исследования рака, разрабатывая, например, передовые инструменты визуализации. Но только в последнее десятилетие или около того развитие самого заболевания, особенно начало метастазирования, было признано серьезной физической проблемой. Основная идея проста: какими бы сложными ни были генетические и биохимические признаки рака, все раковые клетки должны в конечном счете подчиняться законам физики, когда они двигаются, деформируются и мигрируют по телу. В последние несколько лет этот уникальный физический подход, получивший название физики рака, стал многообещающей парадигмой для понимания ключевых аспектов прогрессирования рака.
Традиционно физика неупорядоченных систем имеет дело с поведением неодушевленных материалов, таких как гранулы, сложные жидкости и стекла. Особым свойством этих материалов является то, что они могут быстро переключаться с жидкого на твердое поведение, сохраняя при этом свою неупорядоченную структуру — интригующее явление, известное как заклинивание [2]. Около десяти лет назад новаторская работа установила, что живые клетки также используют физические помехи в плотно упакованных клеточных слоях и тканях [3]. Действительно, подобно тому, как куча песка может в один момент протекать сквозь ваши пальцы, а в следующий момент стать частью твердого замка из песка, деформируемые клетки могут переключаться между подвижным и неподвижным состояниями без ущерба для структурной целостности ткани. Еще более захватывающим является растущее осознание того, что такие клеточные переходы с блокировкой и разблокировкой могут иметь важные биологические функции как в норме, так и при болезни [4, 5].
Актуальность устранения помех при раке коренится в простом физическом понятии: чтобы метастазировать, раковые клетки должны двигаться. Повышенная подвижность клеток в раковой ткани может быть вызвана множеством сигналов, включая генетические и экологические сигналы [6]. Тем не менее, все больше данных свидетельствует о том, что эмерджентный переход к освобождению от помех также имеет место в первичных опухолях. Но как клетки могут расщепиться в плотно упакованной солидной опухоли, и в какой степени расщепление действительно имеет значение для окончательного метастатического исхода? Оба эти вопроса были рассмотрены Готтейлом и его коллегами в инновационном исследовании, в котором принципы, основанные на физике, сочетаются с клиническими данными о больных раком.
Чтобы ответить на первый вопрос, исследователи основываются на открытии, сделанном в последнее десятилетие, что форма клеток может быть очень хорошим информатором степени застревания в плотных слоях клеток [7, 8]. Явно вытянутые клетки имеют тенденцию быть более мобильными, чем округлые, потому что они могут легче протискиваться между своими соседями и обмениваться с ними позициями. Но сама по себе форма клеток не является достаточным параметром структурного порядка для защемления и расцепления в солидных опухолях [1, 9]. Gottheil и его коллеги используют клетки рака молочной железы, полученные от пациентов, чтобы показать, что ядро клетки также следует учитывать. Физически интуитивная причина этого вывода состоит в том, что ядро является относительно большим и жестким объектом, который может механически препятствовать способности клетки двигаться в плотной среде.
Исследователи объединяют знания как о клеточных, так и о ядерных формах в новый параметр порядка под названием CeNuS. Затем они предполагают связь между этой простой статической информацией и возникающей клеточной подвижностью — и, следовательно, степенью расщепления — в клетках первичного рака молочной железы. Эта морфодинамическая связь также лежит в основе диаграммы состояния расщепления раковых клеток (рис. 1), которую можно использовать для быстрой оценки состояния расщепления данного образца ткани пациента.
Чтобы выяснить, коррелирует ли более высокая степень расклинивания с повышенным риском метастазирования, Gottheil и его коллеги предприняли еще один важный шаг, проведя ретроспективное исследование клинических данных 1380 пациентов с раком молочной железы. Примечательно, что исследователи обнаружили, что увеличение прогнозируемого расщепления значительно коррелирует с развитием отдаленных метастазов, которые могут возникнуть даже десятилетие спустя. Этот результат также означает, что состояние клеточного устранение помех — по оценке CeNuS — может служить дополнительным прогностическим биомаркером рака. Действительно, в сочетании с обычными критериями оценки риска включение физического устранения защемления повышает точность прогноза метастазирования с 66,8% до 71,3%. Это улучшение соответствует увеличению прогностической информации на 26% по сравнению с использованием только установленных параметров. В целом, эти результаты показывают, что возникающая физика неупорядоченной конденсированной материи может играть жизненно важную роль в метастазировании.
Помимо связи с раком, давайте вспомним, что в более общем плане заклинивание и связанные с ним стеклообразные явления зависят от тонких структурных изменений, которые либо разжижают, либо затвердевают аморфный материал. С одной стороны, отсутствие каких-либо серьезных структурных изменений делает понимание этих переходов одной из самых сложных проблем классической физики. Но, с другой стороны, он предлагает удивительное практическое удобство [10]: лишь с минимальными перестановками или деформациями частиц система может легко изменить свои коллективные свойства. Вполне вероятно, что живые клетки и ткани умело использовали это поведение, развиваясь до состояния, которое остается близким к порогу блокировки или разблокировки, так что они могут эффективно переключаться между высокой подвижностью и спящим режимом. Таким образом, можно ожидать, что в ближайшие годы физика неупорядоченных систем получит все большее признание в биологических науках.
No comments:
Post a Comment