Распространение опухолей и других растущих тканей открыло совершенно новый тип физики.
В новом исследовании, опубликованном 24 сентября в журнале Nature Physics, ученые обнаружили, что живые клетки переходят от 2D-листов к 3D-каплям с помощью ранее неизвестного процесса, называемого «активное смачивание». А физика активного смачивания может объяснить, почему и как распространяются раковые заболевания.
«Если бы мы могли найти способ избирательно модифицировать эти силы в реальной опухоли, что является очень сложной задачей, мы могли бы разработать метод лечения, чтобы избежать распространения рака», - считают соавторы исследования Ксавье Трепат из Института биоинженерии Каталонии в Испания и Карлос Перес-Гонсалес из Университета Ла-Лагуна в Испании сообщили Live Science в электронном письме.
Активная физика
Любое медицинское применение для результатов еще далеко. Трепат и Перес-Гонсалес заявили, что их следующие шаги будут включать углубление в странную физику активного смачивания, о которой пока мало что известно.
То, что обнаружили исследователи, основано на экспериментах, проведенных в лабораторной посуде с использованием клеток рака молочной железы человека По словам Трепата и Переса-Гонсалеса, все началось с исследования белка E-cadherin, который обеспечивает адгезию между клетками. Исследователи хотели узнать, как этот белок регулирует напряжение в тканях или группах клеток. Чего они не ожидали, так это того, что натяжение ткани может стать настолько высоким, что их слой самопроизвольно отделится от покрытого коллагеном геля, который они использовали в качестве субстрата, и втянется в форму сфероида.
«Когда мы впервые наблюдали это явление, мы не были уверены в том, как и почему оно происходит», - сказали исследователи в интервью Live Science.
Исследователи противопоставляли активное смачивание поведению так называемых пассивных жидкостей, в которых нет живых структур, способных изменить поток жидкости. Обычно в пассивных жидкостях система уравнений физики, известная как уравнения Навье-Стокса, определяет динамику жидкости. В пассивных жидкостях переход от 2D-листа к 3D-сфероиду называется осушением. Напротив, трехмерный сфероид, распространяющийся в двух измерениях, называется смачиванием. То, происходит ли смачивание или удаление влаги, определяется поверхностным натяжением поверхности раздела, жидкости и газа.)
Но когда исследователи играли с раковыми клетками в своем эксперименте - варьируя такие параметры, как размер ткани и уровень Е-кадгерина - они обнаружили, что клетки не ведут себя так, как обычные жидкости, в пассивном смачивании и обезвоживании. Это объясняется тем, что ряд активных процессов, от сократительной способности ткани до адгезии клетка-субстрат, определяют, растягиваются ли клетки или расширяются, обнаружили исследователи.
Исследователи утверждают, что переход между распределенной фазой смачивания и фазой сгущенного обезвоживания зависит от конкуренции между клеточно-клеточными силами и силами, которые прикрепляют клетку к субстрату.
Рак переходы
Ткани растут и движутся разными путями, в том числе в процессе нормального развития. Но активный переход смачивания важен, потому что это ключевой момент, когда клетки переходят от сферической формы к растекающемуся плоскому листу, как сказали Трепат и Перес-Гонсалес. Другими словами, когда круглые шарики опухоли распространяются и прикрепляются к поверхности, опухоль может распространяться дальше.
«Наши результаты создали всеобъемлющую основу для понимания того, какие силы важны для развития рака», - сказали исследователи. Исследователи добавили, что часть следующего этапа работы будет заключаться в том, чтобы перенести исследования из лабораторных блюд в живую ткань и реальные опухоли.
Биологические системы могут быть трудно вписаться в рамки классической физики, написали Ричард Моррис и Альфа Яп в комментарии, сопровождающем новую статью. Моррис является научным сотрудником Института фундаментальных исследований Тата в Индии, а Яп - клеточным биологом в Университете Квинсленда в Австралии. Но новая статья является «ценным шагом в правильном направлении» для того, чтобы сделать физику актуальной для проблем биологии, писали Моррис и Яп.
«В этом случае, - писали они, - мы узнаем, что, хотя идеи классической физики могут быть полезны при характеристике биологических систем, аналогия не должна заходить слишком далеко, и необходимы новые подходы».
