Przerzut raka zaczyna się od tego, że komórka nowotworowa musi wydostać się z guza, znaleźć drogę przez otaczającą tkankę, a następnie przedostać się do naczyń krwionośnych lub limfatycznych. O tym, czy jej się to uda, decydują nie tylko sygnały biochemiczne. Znaczenie mają również fizyczne właściwości otoczenia: jego sztywność, wielkość dostępnych szczelin, siła związania komórki z podłożem oraz możliwość odkształcania jej jądra.

Warunki panujące wewnątrz guza można odtworzyć w laboratorium. Komórki hoduje się między innymi w hydrożelach. Są to zawierające dużo wody materiały, których przestrzenna sieć przypomina macierz zewnątrzkomórkową otaczającą komórki w tkankach. Badacze z Australii, Korei Południowej i Polski chcieli oddzielić wpływ sztywności takiego otoczenia od ilości wolnego miejsca. Wyniki badań opublikowali w czasopiśmie naukowym „Advanced Science”.

W zwykłym hydrożelu oba czynniki zmieniają się razem: usztywnienie materiału zagęszcza jego sieć i zwęża przejścia. Trudno wtedy ustalić, która zmiana wpłynęła na zachowanie komórki. Nowy model wykonano z GelMA, czyli żelatyny zmodyfikowanej tak, aby twardniała pod wpływem światła. Żel rozdrobniono na nieregularne fragmenty i zagęszczono je tak mocno, że przestały się swobodnie przesuwać. W fizyce taki stan nazywa się zakleszczeniem. Po ponownym połączeniu fragmentów powstało stabilne rusztowanie z przejściami dla komórek. Fragmenty miękkiego rusztowania miały sztywność około 2,9 kPa, a sztywnego — około 13,3 kPa. Przeciętna szerokość przejść pozostała jednak podobna: wynosiła około 40 i 44 mikrometrów. Można więc było zmieniać sztywność otoczenia bez równoczesnego zwężania komórkom drogi.

Sztywność fragmentów zmierzono mikroskopem sił atomowych, którego niewielka sonda naciskała na żel i rejestrowała jego opór. Trójwymiarową mapę sprężystości uzyskano za pomocą mikroelastografii optycznej: próbkę lekko ściskano, a tomografia optyczna mierzyła powstające w niej przemieszczenia.

W obu rusztowaniach umieszczono najpierw komórki raka piersi MCF7, które mają niewielką zdolność do tworzenia przerzutów. We wcześniejszych doświadczeniach z litymi hydrożelami ich sferoidy rosły słabiej w sztywniejszym materiale. Wraz ze wzrostem sztywności zmniejszały się jednak również pory żelu. W nowym rusztowaniu, w którym pozostawiono komórkom podobną ilość miejsca, sferoidy osiągały porównywalną wielkość niezależnie od sztywności. Sugeruje to, że sama sztywność otoczenia nie powstrzymuje wzrostu takich skupisk komórek. Wcześniej mogło je ograniczać przede wszystkim mechaniczne uwięzienie w zbyt ciasnej sieci.

Inaczej zachowywały się silnie przerzutowe komórki MDA-MB-231. Wydostawały się ze sferoid i przemieszczały pomiędzy fragmentami żelu, a w sztywniejszym otoczeniu ich prędkość była 1,38 raza większa. W tradycyjnym, litym hydrożelu ich ruch pozostawał mocno ograniczony. Z punktu widzenia rozwoju choroby jest to wynik niekorzystny: sztywne otoczenie, typowe dla rozwijającego się guza, może sprzyjać wędrówce agresywnych komórek, jeśli jednocześnie znajdują się w nim dostatecznie szerokie przejścia. Najbardziej niebezpieczna może więc być nie sama sztywność tkanki, lecz jej połączenie z kanałami otwierającymi komórkom drogę do naczyń krwionośnych i limfatycznych.

Badacze sprawdzili także, co dzieje się, gdy komórki tracą przyczepność do otoczenia. Zmianę tę określa się jako przejście ze stanu przylegającego do zawieszonego, w skrócie AST. Po jego sztucznym uruchomieniu komórki modelowe oddzielały się od pierwotnej sferoidy i przemieszczały przez szczeliny. Po wyłączeniu AST te pozostające blisko wracały do skupiska, a komórki, które dotarły dalej, tworzyły nowe sferoidy. Model sugeruje zatem, że czasowa utrata przyczepności może pomagać komórkom opuścić pierwotne skupisko, a odzyskanie jej w innym miejscu - rozpocząć tworzenie kolejnego. Taki przebieg przypomina dwa ważne etapy powstawania przerzutu.

Towarzyszyła temu mniejsza ilość w jądrze białka YAP, które pomaga komórce reagować na kontakt z otoczeniem i działające na nią siły. Zwiększała się natomiast ilość lamin typu A i C - białek tworzących wewnętrzne rusztowanie jądra i wzmacniających jego osłonę. Pierwsza zmiana odpowiada utracie przyczepności do podłoża, druga zaś może chronić jądro przed uszkodzeniem podczas wędrówki. Wyniki wskazują więc, że komórka może nie tylko zacząć się poruszać, lecz także przygotować mechanicznie do przetrwania tej drogi.

AST nie zawsze jednak zwiększało ruchliwość. W agresywnej linii raka trzustki SUIT2 większe znaczenie miała sztywność rusztowania. Nie jest to zatem uniwersalny „przełącznik” uruchamiający przerzuty. Badanie pokazuje raczej, że o rozprzestrzenianiu się choroby decyduje połączenie właściwości komórki z fizyczną budową jej otoczenia. Ponieważ doświadczenia przeprowadzono na liniach komórkowych, a AST wywoływano sztucznie, mechanizm ten wymaga jeszcze potwierdzenia w żywym organizmie.

Badania przeprowadzono na liniach komórkowych, a AST wywoływano sztucznie. Wyników nie można na razie bezpośrednio odnosić do przebiegu choroby u człowieka ani traktować jako propozycji terapii. Nowy model pozwala jednak oddzielnie zmieniać sztywność materiału i szerokość przejść, a dzięki temu dokładniej badać fizyczne uwarunkowania przerzutów.

Współautorem pracy jest prof. Brendan F. Kennedy z Instytutu Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK w Toruniu, związany także z University of Western Australia. Specjalizuje się w tomografii optycznej i elastografii oraz uczestniczył w badaniach i ich nadzorze. Polski udział wspierały program NAWA i Narodowe Centrum Nauki. (PAP)

kmp/ agt/