Назад
Опухоли известны тем, что они более твердые, чем нормальные ткани, что делает возможным их обнаружение при пальпации.
Однако ученые, изучающие отдельные раковые клетки, обнаружили, что эти клетки мягкие - мягкость необходима опухолям для метастазирования путем протискивания через окружающие ткани и сосуды на пути к колонизации новых мест. Парадоксальный характер опухолей, которые одновременно мягкие и в то же время твердые на ощупь, мистифицировал ученых и клиницистов на протяжении десятилетий.
Но теперь, после более чем шести лет переписки с рецензентами и журналами, международная группа исследователей из разных областей науки и медицины утверждает, что они разгадали загадку: опухоли одновременно и твердые, и мягкие. "Острова" жестких опухолевых клеток вплетены в "море" жидких клеток, сообщает группа в журнале Nature Physics. Такое особое расположение делает раковые образования достаточно жесткими, чтобы давить на окружающие ткани по мере роста опухоли, но достаточно мягкими, чтобы обеспечить метастазирование. Полученные результаты могут привести к созданию нового прогностического маркера для больных раком, говорят ученые, стоящие за этой работой, помогая тем, кто имеет более низкий риск метастазирования, не подвергаться ненужному лечению. "Это очень впечатляющий объем работы", - говорит Пол Янми, биофизик из Университета Пенсильвании, который не принимал участия в исследовании. "Это кульминация огромных усилий как экспериментаторов, так и теоретиков".
Физический онколог Лейпцигского университета Йозеф Кес вместе с группой из почти тридцати ученых - от физиков до клиницистов и экспертов по визуализации - задался целью раскрыть дело о мягкоклеточных твердых опухолях и выяснить, как именно мягкие на вид клетки приобретают свою жесткость. Кес и другие физики из этой команды догадывались, что разгадка связана с физическим явлением, называемым застреванием: когда вещество, такое как песок, например, легко течет в песочных часах, но становится "застревающим" при воздействии давления, что и позволяет человеку стоять на нем на пляже. По их словам, мало кому приходило в голову применить эту физическую концепцию к органической материи, но сделать это для опухолей будет совсем не просто. Для проверки свойств застревания в раке Кесу и его команде необходимо было исследовать опухоли в разных масштабах: отдельные клетки, скопления клеток и опухоль целиком. А для этого требовался целый комплекс методов.
На уровне опухоли команда использовала магнитно-резонансную эластографию (МРЭ) - МРТ для клеток, которая использует звуковые волны и визуализацию для определения их химических свойств на сантиметровых опухолях, взятых из карцином молочной железы и шейки матки. "Если вы хотите понять механические свойства части ткани, недостаточно просто взять макроскопический кусочек ткани и поместить его в устройство, которое даст вам модуль [жесткости]", - объясняет Янми. "Магнитно-резонансная эластография может быть намного лучше, чем это, потому что она может рассматривать вещи in vivo и с лучшим пространственным разрешением".
На уровне клеточных кластеров исследователи использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ) для проведения вдавливания клеток на тех же опухолях молочной железы и шейки матки, прощупывая отдельные клеточные кластеры и наблюдая за их эластичностью. В предыдущих исследованиях ученые проводили эти тесты в темноте: они не могли различить, прощупывают ли они соединительную или клеточную ткань. Кес и остальные члены команды использовали новый флуоресцентный краситель SPY-DNA для визуализации ядер каждой клетки, что позволило им увидеть типы клеток, которые они тестировали в режиме реального времени.
Затем, на уровне отдельных клеток, они использовали оптические клеточные растяжки для раздвигания отдельных клеток, собирая информацию о механическом поведении каждой клетки и о том, как оно варьирует среди различных типов клеток в пределах одной опухоли. Используя все три шкалы тестирования эластичности, Кес и его коллеги смогли составить полную картину клеток, из которых состоят опухоли.
Многомасштабное тестирование показало, что в среднем 75 % клеток в каждой опухоли были мягкими. Остальные, жесткие, располагались скоплениями, равномерно распределенными по всей опухоли. Эти островки жестких клеток в совокупности создавали напряжение между более мягкими окружающими клетками, заставляя всю опухоль "заклиниваться" против внешних сил, несмотря на то, что большинство из них состояло из мягких клеток. Благодаря такой схеме опухоли могут вытеснять здоровые ткани по мере своего роста. Между тем, мягкие клетки могут вести себя как жидкость, что позволяет им протискиваться сквозь окружающие ткани и метастазировать.
"Это дьявольская штука", - говорит Кес. "Как материаловеду, мне интересно найти это новое странное состояние материи. Как человека, вас пугает, насколько идеально рак настраивает свойства отдельных клеток и коллективные свойства. Это действительно оптимальное состояние для его одновременной экспансии и метастазирования".
Янми считает, что это исследование - большой шаг к пониманию взаимодействия опухолевых клеток и важности расположения клеток, а не только механических свойств самих клеток. "Концепция того, что функционирование клетки во многом зависит от ее локального соседства, все больше признается как важная идея", - говорит он.
По словам Кеса, он надеется использовать это новое открытие для более точного прогнозирования состояния больных раком, чтобы такие методы лечения, как химиотерапия, которые часто сопровождаются тяжелыми побочными эффектами, назначались только тем, кто в них больше всего нуждается. Зная, что метастазируют только жидкие опухолевые клетки, ученые могут измерять процент жидких клеток в опухоли для более точного определения риска метастазирования, чем предыдущие маркеры. По его словам, повышение точности измерения риска метастазирования может избавить людей с низким риском от изнурительных схем лечения, значительно улучшив качество их жизни. Однако, по его словам, эти клеточные взаимодействия сложны, и для их правильного понимания необходимы дополнительные исследования, прежде чем полученные результаты будут внедрены в клиническую практику.
"Картина не черно-белая", - комментирует Кес. "Видя эту взаимосвязь между высокой пролиферацией, высокой подвижностью и появлением новых фенотипов, будет очень интересно понять, как будет развиваться рак".
Thomas Fuhs et al. Жесткие опухоли содержат мягкие раковые клетки (аннотация).
При пальпации используется тот факт, что твердые опухоли молочной железы более жесткие, чем окружающие ткани. Однако раковые клетки склонны к размягчению, что может повысить их способность протискиваться через плотную ткань. Этот кажущийся парадокс предполагает две противоречащие друг другу гипотезы: либо мягкость возникает в результате адаптации к окружающей среде, либо мягкие раковые клетки уже присутствуют внутри жесткой первичной опухолевой массы, порождая подвижность раковых клеток.
Мы исследовали первичные опухолевые эксплантаты от пациентов с карциномами молочной железы и шейки матки в различных масштабах протяженности. Мы обнаружили, что первичные опухоли очень неоднородны по своим механическим свойствам на всех уровнях - от уровня ткани до отдельных клеток. Это приводит к широкому распределению жесткости - от очень жестких клеток до клеток, более мягких, чем в здоровой ткани, - которое смещено в сторону увеличения доли более мягких клеток. Реология тканей, основанная на атомно-силовой микроскопии, показывает, что островки жестких клеток окружены мягкими клетками. Отслеживание жизнеспособных клеток подтверждает сосуществование зажатых и незажатых областей в опухолевых эксплантатах. Несмотря на отсутствие перколированной основы жестких клеток и большую долю неподвижных клеток, кластеры раковых клеток демонстрируют гетерогенное твердое поведение с конечным модулем упругости, обеспечивающим механическую стабильность.
