Роджер Бонеказ (Roger Bonnecaze) (слева) и Параг Катира (Parag Katira)
Roger Bonnecaze (left) and Parag Katira

Изменения механических свойств живых клеток могут быть ответственны за рост раковых опухолей, согласно компьютерного моделирования, проведенного учеными в США. Их работа позволяет предположить, что размягчение клеток может изменить скорость, с которой клетки делятся, а также сделать раковые клетки более долго живущими. Взятые вместе, эти два фактора могут привести к быстрому росту злокачественных опухолей.

Ученым уже давно известно, что большинство видов рака возникают, когда генетические факторы или факторы окружающей среды вызывают изменения в том, как живые клетки ведут себя. Во многих типах рака эти изменения, кажется, происходят в механических свойствах клеток. В частности, раковые клетки, как правило, мягче, чем здоровые клетки, и некоторые исследователи полагают, что эта большая гибкость может привести к быстрому росту опухоли.

Роджер Бонеказ (Roger Bonnecaze) и Параг Катира (Parag Katira) из Университета Техаса в Остине и Мухаммад Заман (Muhammad Zaman) из Бостонского университета создали компьютерную 3D-модель, которая устанавливает количественную связь между мягкостью клеток и ростом опухоли. Исследователи моделируют отдельные клетки как оболочки вязкоупругого материала с жидкими ядрами. По отдельности каждая клетка была бы просто сферой, но клетки можно также упаковать вместе, чтобы сформировать ткане-подобный материал.

Жить, умереть или делиться

Исследователи моделировали изменение механической энергии, участвующей в создании такого 3D-конгломерата, то есть упругой энергии оболочки; энергии, выделяющейся при прилипании соседних клеток друг к другу, и работы, производимой осмотическим давлением клетки при изменении своего объема. Эти параметры были получены на основе экспериментальных данных, как для здоровых так и для раковых клеток.

Бонеказ и его группа провела моделирование до тех пор, пока 3D-структура здоровых клеток достигла своего минимума энергетической конфигурации, которую они использовали в качестве исходного состояния для их исследования. В результате масса клеток прилипают друг к другу при взаимодействии так, что каждая клетка принимает форму "многогранника Вороного». Такие многогранники Вороного - это объекты, которые могут заполнить 3D-пространство, чтобы создать структуру, подобную ткани плотно упакованных живых клеток.

Моделирование позволяет затем отдельным клеткам сделать по выбору одно из трех: жить, умереть или поделиться. Вероятности этих событий, задаются набором правил, которые имитируют реальные процессы - например, что клетка, скорее всего, умрет, если ее сжимают и ее поверхность становится меньше, но более вероятно, разделится, если она распространяется на больший объем и ее поверхность становится больше.

Умножая мутантов

Если были использованы параметры для здоровых клеток, то обнаружено, что моделирование достигает равновесия, в котором мертвые клетки замещаются путем деления клеток и общая структура ткани остается постоянной. Затем исследователи ввели небольшую группу мутантных клеток в ткань, чтобы посмотреть, могут ли они имитировать рост опухоли. Эти мутанты имели оболочки с модулем упругости вдвое меньшем, чем здоровые клетки - тем самым они были мягче.

Когда группа состояла из менее восьми мутантов, не было никаких изменений в поведении мутантов по сравнению со здоровыми клетками. Однако, когда восемь или более мутантов были задействованы, исследователи заметили значительное увеличение скорости размножения мутантных клеток - и чем больше в начале мутантов, тем больше темп размножения. Это увеличение размножения мутантов интерпретируется как начало роста опухоли. В самом деле, моделируемые наросты показали клинически наблюдаемые характеристики злокачественных опухолей.

Исследователи полагают, что мутанты в небольших группах окружены жестко соседями и не могут расширяться с целью повышения их площади поверхности, а это значит, что они не будут быстро делиться. Тем не менее, выше порога около восьми клеток, некоторые мутантные клетки способны толкать своих мягких соседей-мутантов и начинают делиться не на шутку.

Исследователи также рассмотрели влияние клейкости мутантных клеток на рост опухоли. Они обнаружили, что на рост опухоли влияет как сила, с которой мутантные клетки слипаются друг с другом так и сила, с которой мутантные клетки прилепляются к здоровым клеткам. Интересно, однако, но они обнаружили, что опухоли наиболее быстро распространяются, когда клейкость не изменяется.

Новый подход

«На сегодняшний день исследования рака были направлены на биохимические факторы», говорит Катира. «Вместо того, чтобы выяснять многочисленные взаимозависимые биохимические канцерогенные факторы, мы можем сосредоточиться на небольшом количестве механических факторов. Это новый подход.»

Бонеказ сказал для physicsworld.com , что его команда в настоящее время нацелена на создание экспериментальной реализации модели, которая покажет поведение клеток в реальных условиях. Помимо улучшения нашего понимания рака, он считает, что моделирование может также помочь ученым понять, как заживают раны и поможет даже указать путь к регенерации органов и выращиванию органов.

Моделирование, описанов журнале Physical Review Letters .

Об авторе

Хэмиш Джонстон (Hamish Johnston), редактор physicsworld.com

Перевод: Олег Кириллов