Kanseri yenmenin nihai silahı fizikçiler tarafından yapılabilir
Yoğun şekilde paketlenmiş hücreler arasındaki hassas mekanik yapı, bazı kötü huylu tümörlerin neden yerinde kaldığını, diğerlerinin ise yırtılıp tüm vücuda yayıldığını açıklamaya yardımcı olabilir.
1995 yılında, biyomedikal bilimci Peter Friedl, Montreal'deki McGill Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisiyken, birkaç gece uykuya dalmasını engelleyen garip bir fenomen gördü. Denetleyicisinin laboratuvarında geliştirdiği birkaç kanser hücresi grubu, insan vücudunun hücreler arası boşluklarını taklit eden fiber ağda hareket etmeye başladı.
Yüzyıldan fazla bir süredir bilim adamları bunu biliyordu Tek bir kanser hücresi, tümörü terk edebilir ve kan ve lenfatik sistem yoluyla vücudun diğer uzak bölgelerine yayılabilir.
Ancak Friedel'in mikroskopta gözlemlediğini kimse görmedi: Kanser hücreleri yoğun oluşumlarda birlikte hareket eder.
Bu keşif o kadar romandı ki, bu sonucu başlangıçta yayınlaması bile zordu. . "Makale, alaka düzeyi yeterince açık olmadığı için reddedildi." Dedi. Friedel ve ortak yazarları sonunda Cancer Research dergisinde kısa bir makale yayınladılar.
Bununla birlikte, 20 yıl sonra, biyologlar, tek bir hücrenin dolaşımından daha nadir olmasına rağmen, tümör hücrelerinin kümelerdeki hareketinin birçok ölümcül kanser metastazına yol açtığına gitgide daha fazla ikna oldular. Ve kanser hücresi metastazı, kanser ölümlerinin% 90'ına neden olur.
Ancak, Hollanda'daki Radboud Üniversitesi'nde öğretmenlik yapmakta olan Friedel, kendisinin ve meslektaşlarının gördüklerini 2013'e kadar gerçekten anlamıştı.
Harvard Üniversitesi'nde biyomühendislik ve fizyoloji profesörü olan Jeffrey Fredberg tarafından yayınlanan bir makale ona ilham verdi.
Friedberg önerdi, Hücreler "bloke olabilir" - bir huniye sıkışmış kahve çekirdekleri gibi, bir birim oluşturan sıkıca düzenlenirler. Araştırması akciğer kanserine odaklanıyor. Ancak Friedel, gözlemlediği yayılan kanser hücrelerinin de engellenebileceğini fark etti. Dedi ki: "Bulgularımızın üç boyutlu uzayda veya hareket halinde tamamen aynı olduğunu fark ettim ... Bu beni heyecanlandırıyor çünkü bu kavram doğrudan bulgularımıza uygulanabilir."
Yakında, kanser hücrelerini ölçmek için tıkanma teorisini kullanan ilk birkaç makaleyi yayınladı.
uzun zamandır, Fizik, doktorlara tümörlerle savaşmak için nükleer radyasyon ve proton bıçakları gibi birçok araç sağlar.
Ancak yakın zamana kadar, kimse gerçekten önermedi. Saf fizik kavramı, kanserin biyolojik doğasını anlamaya da yardımcı olabilir.
geçtiğimiz birkaç sene içinde, Kanser hücresi metastazını inceleyen fizikçiler, bazı hücrelerin davranışı için çok doğru tahmin modelleri önerdiler. Bu tür araştırmalar yeni başlamış olsa da, iyimser savunucular şunu düşünmeye başlıyor: Tıkanma gibi faz geçişleri, kanser tedavisinde giderek daha önemli bir rol oynayacaktır.
Friedberg, "Fizik topluluğu şimdiden önemli bir araştırma ivmesine sahip oldu" dedi. "Fizikçiler zaten gemide ise, biyologlar da onları takip etmek zorunda kalacak. Hücreler aynı zamanda fizik kanunlarına da uymalıdır - bu noktada hiçbir seçenekleri yoktur. "
Enine boyuna konuşma, Fiziğin bağımsız bir disiplin olarak ortaya çıkmasından önce, kanser alanında fizik ilkeleri kullanılmıştır. Antik Yunan doktor Hipokrat, kanseri "yengeç" olarak adlandırdı çünkü tümör ve çevresindeki damarlar yengeç kabuğuna ve yengeç bacaklarına benziyordu.
Ancak bu katı tümör her yıl 8 milyon ölüme neden olmuyor. Bununla birlikte, kanser hücreleri tümörden kopup vücudun diğer bölgelerine göç ettikten sonra, yapabilecekleri en iyi ilaçlar ve diğer tedaviler, ömürlerini birkaç yıl daha uzatmaktır.
Biyologlar genellikle kanseri basitçe genetik programlarla ilgili bir sorun olarak düşünürler ve genetik mutasyonlar ve epigenetik, yeni hücrelerin mutasyona uğramasına neden olur. Hücre bölünmesi ve büyümesi için genler büyütülürken, programlanmış hücre ölümü için genler bastırılır.
Ancak bir grup fizikçinin gözünde kanser hücrelerinin şekil ve davranışlarındaki değişiklikler faz geçişlerinden başka bir şey değildir. Bu görüşe sahip çok fazla fizikçi yok ama sayı artıyor.
Faz geçişi - bir malzemenin iç yapısının düzenli ve düzensiz durumlar arasında dönüşümü - temel bir fiziksel kavramdır. Buzun erimesi ve suyun kaynaması faz değişimleridir.
Fizikçiler ayrıca, yapay ortamlara yerleştirilmiş mıknatıslarda, kristallerde, kuş sürülerinde ve hatta hücrelerde (ve hücre içi yapılarda) bu tür değişiklikler buldular.
Ancak su veya mıknatıs gibi homojen malzemelerle - hatta bir petri kabındaki benzer hücrelere kıyasla - kanser hücreleri çok daha karmaşıktır. Farklı hastalarda ve farklı organlarda çoğalan kanser hücreleri çok farklıdır. Aynı tümör bile çeşitli şekil, boyut ve protein yapılarında kanser hücreleri içerebilir.
Kanser hücrelerinin karmaşıklığı o kadar büyük ki biyologlar genel bir teorik çerçeve önerme konusunda temkinli davranıyorlar. Ancak bu fizikçilerin cesaretini kırmayacaktır.
" Biyoloji eğitimi karmaşıklığa ve farklılığa daha fazla önem veriyor "dedi fizikçi Krastan Blagoev. Canlı sistemlerde teorik fiziği incelemek için Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen bir projeye liderlik ediyor." Fizikçiler ortak noktaları bulmada ve bu ortak noktalardan ortak davranışları çıkarmada iyidirler. ".
Birçok fiziksel keşif bu fikri kullandı. Şu anda Pennsylvania Üniversitesi'nde çalışan fizikçiler Andrea Liu ve Chicago Üniversitesi'nden Sidney Nagel, 1998'de Nature dergisinde sıkışma sürecini yayınladılar.
Tanıdık örnekleri açıklarlar: Engellenen trafik, bir yığın kum ve bakkalın hunisine sıkışmış kahve çekirdekleri, bu tek tek parçacıkların tümü, dış kuvvetler nedeniyle katı bir duruma yoğunlaşır. Liu ve Nagel, Engellenen durum, daha önce fizikçiler tarafından tanınmayan bir aşama olabilir.
Şimdi, on yıldan fazla süren tartışmalardan sonra, bu kavram geniş çapta kabul gördü. Literatürde engelleyici durumların ilk sözü olmasa da, Friedberg'in "tufan" dediği bu kavramı fizikte popüler hale getiren Liu ve Nagel'di. ( Bu makale 1.400'den fazla kez alıntılanmıştır. )
Friedberg şunu fark etti: Hayatım boyunca çalıştığım akciğer dokusundaki hücreler, yoğun kahve çekirdeği ve kum yığınına benziyor. . 2009'da, o ve meslektaşları engelleme durumları üzerine ilk makaleyi yayınladı. Teklif ettiler, Sıkışma, dokudaki hücreleri düzeltebilir ve sıkışma çözmenin faz değişikliği bazı hücreleri serbest bırakır. . Bu sürecin astım veya diğer hastalıklar üzerinde etkisi olabilir.
Friedberg, bu makaleyi dahil ederek, Hücre davranışı çalışmasında mekaniğin önemi giderek daha fazla kabul edilmektedir.
"İnsanlar her zaman, mekanik yapının hücre transferinin nedenselliğinin en aşağı akışı olduğunu ve en yukarı akışının genetik ve epigenetik faktörler olduğunu düşünüyor" dedi. "Sonra insanlar keşfetti, Fiziksel güç ve mekanik davranış, aslında genetik davranışın üst kısmı olabilir - hücreler, bulundukları mikro-mekanik ortama çok duyarlıdır. . "
Syracuse Üniversitesi'nde fizikçi olan Lisa Manning, Friedberg'in makalesini okuduktan sonra fikirlerini eyleme geçirmeye karar verdi. O ve meslektaşları, hücre göçünü simüle etmek için iki boyutlu bir model kullandılar: hücreler tüm alanı doldurur ve hücreler kenarlar ve köşeler boyunca birbirine bağlıdır.
Bu model yeni bir değişken önermektedir - malzemelerin iç sırasını ölçmek için bir indeks - buna "şekil indeksi" diyorlar.
Hücreler sıkıca paketlenirse, tıpkı arabalar ve kahve çekirdekleri gibi sabit bir konumda "bloke" olacağı açıklanabilir.
Bu nedenle, "blokaj durumu" ve "blokaj kaldırma durumu" arasındaki geçişi açıklamak için hücrelerin şeklini ölçen bir "Şekil indeksi" kullanabiliriz. Örneğin, küresel, simetrik hücreler düşük şekil faktörüne sahiptir ve hücre konumu nispeten sabittir; dikdörtgen, düzensiz hücreler büyük bir şekil faktörüne sahiptir ve hücreler serbestçe hareket edebilir.
Soldaki resim: engelleme durumu; Sağdaki resim: engellemeyi kaldırma durumu
Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi Friedberg, şekil indeksi 3.81'den büyük olduğunda akciğer hücrelerinin hareket etmeye başladığını ve birbirlerini sıkıştırabildiğini buldu. Manning'in öngörüsü "tamamen teori ve fikirlerden türetilmişti", ancak bu gerçekten de fiziksel teorinin şok edici bir doğrulamasıydı.
Ulusal Kanser Enstitüsü'nün Onkolojide Fiziksel Bilimler projesinden bir yetkili, araştırmanın sonuçlarını öğrendikten sonra, Fredberg'i benzer doğrulama için kanser hücrelerini kullanmaya teşvik etti.
Proje, ona meme kanseri hücrelerinin obstrüktif özelliklerini incelemesi için fon sağladı.
Aynı zamanda, Almanya'daki Leipzig Üniversitesi'nde fizikçi olan Josef Käs, , Engelleme teorisinin kanser hücrelerinin şaşırtıcı davranışını açıklamak için kullanılıp kullanılamayacağı. Kendi araştırması ve diğer insanların araştırmaları sayesinde bunu biliyordu Genellikle sert meme ve rahim ağzı kanseri tümörleri, çevredeki ortama akabilen yumuşak, hareketli hücreler içerir.
Bu hücrelerin akışkanlaşmasını engelleyen faz değişikliği ise, Cass hemen fark etti: Belki de, tümör hücrelerinin tıkanma durumunu ölçmeye dayalı bir biyopsi, kanser hücrelerinin metastaz yapıp yapmadığını belirlemek için yaklaşık bir yüzyıldır kullanılan görsel incelemelerden daha etkili olabilir.
Şu anda, Cass, tümörlerin tıkayıcı özelliklerini aramak için lazer tabanlı bir araç kullanıyor ve bu yılın ilerleyen günlerinde sonuç almayı umuyor. Yeni başlayan başka bir çalışmada, sadece kanser hücrelerinin kendisinde değil, tümörün etrafındaki lifli yapıda faz geçişini bulmak için Syracuse Üniversitesi'ndeki Manning ve meslektaşlarıyla birlikte çalıştı.
Cass ayrıca, Bu fikir, kanser tedavisi için yeni yollar açabilir. Korkunç geleneksel tedavi yöntemleriyle karşılaştırıldığında, yeni yöntem daha yumuşak olacaktır.
"İnanıyorum ki, tüm tümörü bloke edebilirseniz, bu tümörü iyi huylu hale getireceksiniz ... Kanser hücrelerini etkili bir şekilde bloke etmenin ve hastanın ömrünü 20 yıla kadar başarıyla uzatmanın bir yolunu bulursanız, o zaman bu yöntem Yıkıcı kemoterapiden daha iyi olabilir. " Ancak Cass, tümör tıkanıklığına ulaşmak için klinik olarak hangi yöntemin kullanılacağından emin değildi.
Bununla birlikte, bazı bilim adamları faz değişiminin doğru araç olmadığına inanıyor. Princeton Üniversitesi'nde bir fizyolog olan Robert Austin, faz geçişlerinin çok karmaşık olabileceği konusunda uyardı. Su donması gibi en temel faz değişimi için fizikçiler henüz faz değişiminin zamanlamasını doğru bir şekilde hesaplayamadılar. Kanser hücreleri sudan çok daha karmaşıktır.
Ayrıca uygulama açısından bakıldığında, fizikçiler biyologları ve klinisyenleri fikirlerine ilgi gösteremezlerse, dünyadaki tüm teorik makalelerin pek bir faydası olmayacaktır.
Friedberg, Fizikte tıkanma sıcak bir konudur, ancak çoğu biyolog bunu duymamıştır.
İki disiplindeki bilim adamlarının karşılıklı alışverişi teşvik etmeleri için fırsatlar vardır. Örneğin, American Physical Society, American Association for Cancer Research veya National Cancer Institute tarafından düzenlenen konferanslar sırasında bazı fizik-kanser seminerleri düzenleyin.
Ancak dil ve kültür arasındaki uçurum hala çok büyük. Cass, "Bazı faz diyagramlarından alıntı yapabilirim, ancak sonunda bunların tümörle ilgili dile çevrilmesi gerekiyor," dedi.
Friedberg, araştırmacıların hücrelerde ve dokularda gördüğü fenomeni açıklamak için tıkanma ve faz geçişi teorilerinin başarılı bir şekilde kullanılmaya devam edileceğini söyledi. "Hücrelerin kolektif hareketinin engellemeyle ilgili olduğuna dair giderek daha fazla kanıt varsa, biyoloji alanında ilgili literatürün ortaya çıkması sadece bir zaman meselesi olacaktır."
Öyleyse, dedi Friedl, Bu, biyologlara güçlü ve yeni bir konsept aracı sağlayacaktır. . "Organizmaların fiziksel ilkeleri nasıl kaçırdığını ve sonra onu nasıl hayata döndürdüğünü ve hücrenin moleküler stratejisini onu tamamen dönüştürmek için nasıl kullandığını anlamak çok zor olacak. Ama bu aynı zamanda onun çekiciliğidir."
Quanta Dergisi'nden bu makale, Yazar: Pope Gabriel (Gabriel Popkin)
