Die Ausbreitung von Tumoren und anderen wachsenden Geweben hat eine völlig neue Art der Physik offenbart.
In einer neuen Studie, die am 24. September in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, fanden Wissenschaftler heraus, dass lebende Zellen durch einen bisher unbekannten Prozess, der als "aktive Benetzung" bezeichnet wird, von 2D-Blättern zu 3D-Blobs übergehen. Und die Physik der aktiven Benetzung kann möglicherweise erklären, warum und wie sich Krebserkrankungen ausbreiten.
"Wenn wir den Weg finden könnten, diese Kräfte in einem echten Tumor selektiv zu modifizieren, was eine sehr schwierige Aufgabe ist, könnten wir eine Behandlung entwickeln, um die Verbreitung von Krebs zu vermeiden", so der Co-Autor der Studie, Xavier Trepat, vom Institut für Bioingenieurwesen Kataloniens in Spanien und Carlos Pérez-González von der Universidad de La Laguna in Spanien teilten Live Science in einer E-Mail mit.
Aktive Physik
Jede Art von medizinischer Anwendung für die Ergebnisse ist weit entfernt. Trepat und Pérez-González sagten, dass ihre nächsten Schritte darin bestehen werden, sich weiter mit der seltsamen Physik der aktiven Benetzung zu befassen, über die noch wenig bekannt ist.
Was die Forscher herausgefunden haben, basiert auf Experimenten, die in einer Laborschale mit menschlichen Brustkrebszellen durchgeführt wurden. Alles begann, sagten Trepat und Pérez-González, mit einer Untersuchung eines Proteins namens E-Cadherin, das die Adhäsion zwischen den Zellen ermöglicht. Die Forscher wollten wissen, wie dieses Protein die Spannung in Geweben oder Zellgruppen reguliert. Was sie nicht erwartet hatten, war, dass die Spannung im Gewebe so hoch werden konnte, dass sich ihre Gewebeschicht spontan von dem kollagenbeschichteten Gel, das sie als Substrat verwendeten, ablöste und sich in eine Kugelform zurückzog.
"Als wir dieses Phänomen zum ersten Mal beobachteten, waren wir uns nicht sicher, wie oder warum es geschah", sagten die Forscher gegenüber Live Science.
Die Forscher stellten die aktive Benetzung dem Verhalten sogenannter passiver Flüssigkeiten gegenüber, bei denen es keine lebenden Strukturen gibt, die den Flüssigkeitsfluss verändern könnten. Normalerweise bestimmt in passiven Flüssigkeiten ein Satz physikalischer Gleichungen, die als Navier-Stokes-Gleichungen bekannt sind, die Fluiddynamik. In passiven Flüssigkeiten wird der Übergang vom 2D-Blatt zum 3D-Sphäroid als Entnetzung bezeichnet. Das Gegenteil, ein 3D-Sphäroid, das sich in zwei Dimensionen ausbreitet, wird als Benetzung bezeichnet. Ob Benetzung oder Entnetzung stattfindet, hängt von der Oberflächenspannung der Grenzfläche, der Flüssigkeit und des betroffenen Gases ab.)
Als die Forscher in ihrem Experiment mit den Krebszellen spielten - unterschiedliche Parameter wie Gewebegröße und E-Cadherin-Spiegel - stellten sie fest, dass sich die Zellen beim passiven Benetzen und Entnässen nicht wie normale Flüssigkeiten verhalten. Dies liegt daran, dass eine Reihe aktiver Prozesse, von der Kontraktilität des Gewebes bis zur Zell-Substrat-Adhäsion, bestimmen, ob sich die Zellen zusammenballen oder ausbreiten, fanden die Forscher heraus.
Der Übergang zwischen der Ausbreitungsbenetzungsphase und der Ball-up-Entwässerungsphase hängt von der Konkurrenz zwischen Zell-Zell-Kräften und Kräften ab, die die Zelle an das Substrat binden, sagten die Forscher.
Krebsübergänge
Gewebe wachsen und bewegen sich auf viele Arten, auch während der normalen Entwicklung. Der aktive Benetzungsübergang ist jedoch wichtig, da es der Schlüsselmoment ist, in dem Zellen von einer geschlossenen Kugel zu einer sich ausbreitenden, flachen Schicht übergehen, sagten Trepat und Pérez-González. Mit anderen Worten, sobald sich kreisförmige Tumorkugeln ausbreiten und an einer Oberfläche anhaften, kann sich der Tumor weiter ausbreiten.
"Unsere Ergebnisse bilden einen umfassenden Rahmen, um zu verstehen, welche Kräfte für die Krebsinvasion wichtig sind", sagten die Forscher. Ein Teil der nächsten Arbeitsphase wird darin bestehen, die Studien aus Laborschalen in lebendes Gewebe und echte Tumoren zu verlagern, fügten die Forscher hinzu.
Biologische Systeme können schwer in klassische physikalische Rahmenbedingungen zu integrieren sein, schrieben Richard Morris und Alpha Yap in einem Kommentar zum neuen Artikel. Morris ist Postdoktorand am Tata Institute for Fundamental Research in Indien und Yap ist Zellbiologe an der University of Queensland in Australien. Aber der neue Artikel ist ein "wertvoller Schritt in die richtige Richtung", um die Physik für Probleme der Biologie relevant zu machen, schrieben Morris und Yap.
"In diesem Fall", schrieben sie, "lernen wir, dass Ideen aus der klassischen Physik bei der Charakterisierung biologischer Systeme von Vorteil sein können, die Analogie jedoch nicht zu weit gedrängt werden darf und neue Ansätze erforderlich sind."
