Et vigtigt skridt mod en ny metode til tidlig kræftdiagnose

Ændringer i cellers mekaniske egenskaber er blandt de tidligste tegn på udvikling af kræft. Indtil nu har en af ​​de største hindringer for brugen af ​​mekanik til kræftdiagnostik været manglen på en standardiseret måleprocedure, der garanterer reproducerbarhed og pålidelighed af resultater. Takket være europæisk videnskabeligt samarbejde, der involverer Institut for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi i Krakow, er denne hindring nu blevet fjernet.

Når raske celler omdannes til kræftceller, ændres deres mekaniske egenskaber. Denne observation kunne bruges til hurtigt at opdage cancer hos patienter, men kun hvis de mekaniske målinger af de udtagne prøver var virkelig pålidelige. Et vigtigt skridt mod dette mål er forslaget om at standardisere målinger, som netop er blevet præsenteret i Nanoscale .

Den publicerede artikel er resultatet af flere års samarbejde mellem forskere fra de europæiske universiteter i Amsterdam, Barcelona, ​​Bremen, Lille, Marseille, Milano, Münster og Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow.

I 1999 blev det på IFJ PAN vist, at i forhold til raske celler er kræftceller karakteriseret ved en øget deformerbarhed af cytoskelettet, hvilket gør det lettere for dem at presse sig gennem blodets og/eller lymfesystemets smalle kar og danne metastaser. I dag ved vi, at bryst-, tarm-, blære- eller prostatacancerceller bliver blødere allerede i de tidlige stadier af tumortransformation, mens andres celler, såsom leukæmier, bliver stivere.

Selvom ændringen i cellernes mekaniske egenskaber også kan være forårsaget af andre faktorer, såsom inflammation, gør dens tilstedeværelse helt klart, at yderligere, mere præcise undersøgelser hos patienten er uundgåelige.

"Hvis vi havde en reproducerbar måleprocedure til vores rådighed, ved hjælp af passende laboratorieudstyr, kunne vi hurtigt opdage abnormiteter i cellernes mekaniske egenskaber, hvilket kraftigt indikerer muligheden for, at kræftforandringer udvikler sig i patientens krop," siger prof. Malgorzata. Lekka (IFJ PAN) og bemærker, at udtrykket "hurtigt" her har en todelt betydning.

"På den ene side kan vi forsøge at diagnosticere kræft i den indledende fase af dens udvikling, hvor andre tests normalt endnu ikke viser væsentlige cellulære ændringer. På den anden side er det simpelthen, at selve måleproceduren ikke er særlig byrdefuld - det kræver ikke store mængder biologisk materiale eller tager meget tid."

Ændringer i de biomekaniske egenskaber af celler kan måles ved hjælp af atomic force microscopes (AFM). Enheder af denne type bruges generelt til at afbilde mikroverdenen, selv i skalaer, der tillader påvisning af enkelte atomer. Det vigtige her er, at i AFM'er kan en præcist defineret kraft påføres substratet, der undersøges, ved hjælp af deres sonder.

Hvis substratet er en celle, gør dets mekaniske respons det muligt at bestemme elasticitetskoefficienten (Youngs modul) og på dette grundlag at drage konklusioner om elasticiteten af ​​strukturer ved cellemembranen, men endda i nærheden af ​​cellen kerne.

Atomkraftmikroskoper er ikke blandt de dyreste laboratorieinstrumenter, men de kan ikke siges at være billige. Heldigvis er der enklere versioner:Enheder kaldet indenters, som mangler billeddannelsesfunktionen, men som er fuldt ud tilstrækkelige til at studere cellers mekaniske egenskaber.

"Den primære faktor, der har begrænset udviklingen af ​​vores metode til at diagnosticere kræft til dato, har derfor ikke været omkostningerne til udstyret, men manglen på en passende måleprocedure. For at sige det ligeud, resultaterne opnået i forskellige laboratorier, på apparater fra forskellige producenter, på forskelligt forberedte prøver, var ikke tilstrækkeligt reproducerbare til at blive brugt som grundlag for ansvarlige beslutninger om retningen for yderligere medicinsk handling," forklarer prof. Lekka.

I deres seneste papir påviser den internationale gruppe af forskere, at ved at følge en nøje udviklet procedure, vil den samme Youngs modulværdi altid opnås for de samme celler, uanset hvor målingen udføres eller producenten af ​​det anvendte apparat.

Protokollen omfatter blandt andet prøveforberedelse, kalibrering af måleapparatet og hvordan man analyserer resultaterne. For at øge pålideligheden af ​​målingerne var det afgørende at tage højde for indflydelsen fra det stive substrat, hvorpå tumorcellerne blev aflejret.

Ændringer i cellers mekaniske egenskaber sker tidligere end optiske ændringer i cancer, så den foreslåede metode vil gøre det muligt at opdage sygdommen længere i forvejen end tidligere. Værdien af ​​denne fremgang vil sandsynligvis variere mellem forskellige typer kræft, men dette vil kun blive bestemt af fremtidige undersøgelser. Det er dog allerede kendt med sikkerhed, at den nye diagnostiske metode er mere følsom end de optiske teknikker, der i dag anvendes til kræftdiagnostik.

Brugen af ​​standardiserede måleprocedurer sammen med automatisk dataregistrering og analyse vil gøre det muligt at udføre testen på kortere tid. I stedet for at vente flere uger på resultatet, vil patienten kunne modtage det efter blot et par dage.

I den nærmeste fremtid agter forskerne at fokusere på yderligere at reducere antallet af falsk-positive diagnoser og teste proceduren i undersøgelser af udvalgte sygdomsenheder. Inden teknikken til mekanisk påvisning af kræftlæsioner når hospitalerne, vil en klinisk forsøgsfase stadig være nødvendig, som vil blive gennemført i samarbejde med interesserede medicinske enheder.

Flere oplysninger: Sandra Pérez-Domínguez et al., Pålidelige, standardiserede målinger for cellemekaniske egenskaber, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02034G

Journaloplysninger: Nanoskala

Leveret af Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences