Et fysikperspektiv på sårheling

I materialefysik er det af central interesse at forstå, hvordan systemer interagerer på tværs af de grænseflader, der adskiller dem. Men kan fysiske modeller afklare lignende begreber i levende systemer, såsom celler? Fysikere ved Universitetet i Genève (UNIGE), i samarbejde med universitetet i Zürich (UZH), brugte rammen af ​​uordnede elastiske systemer til at studere processen med sårheling - spredningen af ​​cellefronter, som til sidst slutter sig til at lukke en læsion. Deres undersøgelse identificerede skalaerne for de dominerende interaktioner mellem celler, som bestemmer denne proces. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , vil muliggøre bedre analyse af cellefrontadfærd, hvad angår både sårheling og tumorudvikling. I fremtiden, denne tilgang kan tilbyde personlig diagnostik til at klassificere kræft og bedre målrette deres behandling, og identificere nye farmakologiske mål for transplantation.

Ved at fokusere på makroskopiske egenskaber ved store datasæt, statistisk fysik gør det muligt at udtrække et overblik over systemets adfærd uafhængigt af dets specifikke mikroskopiske karakter. Anvendt på biologiske elementer, såsom cellefronterne, der grænser op til et sår, denne tilgang gør det muligt at identificere de forskellige interaktioner, der spiller en afgørende rolle under vævsvækst, differentiering, og healing, men frem for alt for at fremhæve deres hierarki på de forskellige observerede skalaer. Patrycja Paruch, professor ved Institut for Kvantestoffysik ved UNIGE Det Naturvidenskabelige Fakultet, forklarer:"For kræfttumorinvasion, eller i tilfælde af et sår, cellefront spredning er afgørende, men frontens hastighed og morfologi er meget variabel. Imidlertid, vi tror, ​​at kun nogle få dominerende interaktioner under denne proces vil definere dynamikken og formen - glat eller ru, for eksempel - af cellekoloniens kant. Eksperimentelle observationer på tværs af flere længdeskalaer for at udtrække generel adfærd kan give os mulighed for at identificere disse interaktioner i sundt væv og diagnosticere på hvilket niveau patologiske ændringer kan forekomme, at hjælpe med at bekæmpe dem. Det er her, statistisk fysik kommer ind."

De mange skalaer af sårheling

I dette tværfaglige studie, UNIGE-fysikerne samarbejdede med holdet af professor Steven Brown fra UZH. Brug af rotteepitelceller, de etablerede flade kolonier (2D), hvor cellerne vokser omkring en silikoneindsats, efterfølgende fjernet for at efterligne en åben læsion. Cellefronterne formerer sig derefter for at fylde åbningen og helbrede vævet. "Vi reproducerede fem mulige scenarier ved at 'handicappe' cellerne på forskellige måder, for at se, hvilken indflydelse dette har på sårheling, dvs. på cellefrontens hastighed og ruhed, " forklarer Guillaume Rapin, en forsker i Patrycja Paruchs team. Ideen er at se, hvad der sker i normalt sundt væv, eller når processer som celledeling og kommunikation mellem naboceller hæmmes, når cellemobilitet er nedsat, eller når celler er permanent farmakologisk stimuleret. "Vi tog omkring 300 billeder hver fjerde time i omkring 80 timer, hvilket gjorde det muligt for os at observere de prolifererende cellefronter i meget forskellige skalaer, "fortsætter Guillaume Rapin." Ved at anvende højtydende beregningsteknikker, vi var i stand til at sammenligne vores eksperimentelle observationer med resultaterne af numeriske simuleringer, "tilføjer Nirvana Caballero, en anden forsker i Patrycja Paruchs team.

Zoom ud for større effekt

Forskerne observerede to forskellige ruhedsregimer:ved mindre end 15 mikrometer, under størrelsen af ​​en enkelt celle, og mellem 80 og 200 mikrometer, når flere celler er involveret. "Vi har analyseret, hvordan ruhedens eksponent udvikler sig over tid for at nå sin naturlige dynamiske ligevægt, afhængigt af de farmakokemiske betingelser, vi har pålagt cellerne, og hvordan denne ruhed øges afhængigt af den skala, vi ser på, " understreger Nirvana Caballero. "I et system med en enkelt dominerende interaktion, vi forventer at se den samme ruhedseksponent på alle skalaer. Her, vi ser en skiftende ruhed, hvis vi ser på skalaen af ​​en celle eller af 10 celler."

Genève- og Zürich-holdene afslørede kun mindre variationer i ruhedseksponenten under 15 mikrometer, uanset hvilke betingelser der stilles på cellefronterne. På den anden side, de fandt, at mellem 80 og 150 mikrometer, ruheden ændres af alle farmakologiske hæmmere, reducerer ruhedseksponenten markant. I øvrigt, de observerede, at spredningshastigheden varierede meget mellem de forskellige farmakokemiske forhold, opbremsning, når celledeling og motilitet blev hæmmet, og accelerere, når celler blev stimuleret. "Mere overraskende, den hurtigste spredningshastighed blev opnået, når gap-junction kommunikation mellem celler blev blokeret, " siger Guillaume Rapin. Denne observation tyder på, at sådan kommunikation kan være målrettet i fremtidige terapier, enten for at fremme heling af forbrændinger eller sår, eller for at bremse kræft tumor invasion.

Disse resultater viser, at interaktioner i mellemskala spiller en afgørende rolle i at bestemme den sunde spredning af en cellefront. "Vi ved nu, i hvilken skala biologer skal lede efter problematisk adfærd af cellefronter, som kan føre til udvikling af tumorer, " siger Nirvana Caballero. Nu vil videnskabsmænd være i stand til at fokusere på disse nøglelængdeskalaer for at undersøge tumorcellefronter, og direkte sammenligne deres patologiske interaktioner med dette af raske celler.