Чтобы раковые клетки дали метастазы, они должны сначала вырваться из-под собственной защиты опухоли. Большинство опухолей покрыто защитной «базальной» мембраной - тонкой, гибкой пленкой, которая удерживает раковые клетки на месте по мере их роста и деления. Прежде чем распространиться на другие части тела, клетки должны прорвать базальную мембрану - материал, который ученым сложно охарактеризовать.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института исследовали базальную мембрану опухолей рака груди и обнаружили, что кажущееся деликатным покрытие такое же жесткое, как пластиковая пленка, но удивительно эластичное, как воздушный шар для вечеринок, способное раздуваться в два раза по сравнению с первоначальным размером.
Но хотя воздушный шар становится намного легче взорвать после некоторых первоначальных усилий, команда обнаружила, что базальная мембрана становится более жесткой при расширении.
Это жесткое, но эластичное свойство может помочь базальным мембранам контролировать рост опухолей. Тот факт, что мембраны становятся жесткими при расширении, предполагает, что они могут сдерживать рост опухоли и ее способность распространяться или метастазировать, по крайней мере, до определенной степени.
Результаты, опубликованные на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences , могут открыть новый путь к предотвращению метастазирования опухоли, которое является наиболее частой причиной смерти от рака.
«Теперь мы можем думать о способах добавления новых материалов или лекарств для дальнейшего усиления этого эффекта жесткости и увеличения прочности мембраны для предотвращения прорыва раковых клеток», - говорит Мин Гуо, ведущий автор исследования и доцент кафедры машиностроение в Массачусетском технологическом институте.
Соавторами Гуо являются первый автор Хуэй Ли из Пекинского педагогического университета, Юэ Чжэн и Шэнцян Цай из Калифорнийского университета в Санта-Диего и постдок Массачусетского технологического института Ю Лонг Хан.
Взрыв
Базальная мембрана покрывает не только раковые образования, но и здоровые ткани и органы. Пленка - часть толщины человеческого волоса - служит физической опорой, которая удерживает ткани и органы на месте и помогает формировать их геометрию, сохраняя при этом их отдельные и отличные друг от друга.
Группа Гуо специализируется на изучении клеточной механики, уделяя особое внимание поведению раковых клеток и процессам, которые заставляют опухоли метастазировать. Исследователи изучали, как эти клетки взаимодействуют с окружающей средой во время миграции по телу.
«Важный вопрос, который, как мы поняли, не получил достаточного внимания, - как насчет мембраны, окружающей опухоль?» Го говорит. «Чтобы выбраться наружу, клетки должны разрушить этот слой. Что это за слой с точки зрения свойств материала? Это то, что клетки должны действительно усердно работать, чтобы сломать? Это то, что побудило нас заглянуть в базальную мембрану».
Чтобы измерить свойства мембраны, ученые применили атомно-силовую микроскопию (АСМ), используя крошечный механический зонд, чтобы осторожно надавить на поверхность мембраны. Сила, необходимая для деформации поверхности, может дать исследователям представление о сопротивлении или эластичности материала. Но, поскольку базальная мембрана чрезвычайно тонкая и ее сложно отделить от подлежащей ткани, Гуо говорит, что из измерений АСМ трудно понять, каково сопротивление мембраны, кроме ткани под ней.
Вместо этого команда использовала простую технику, похожую на надувание воздушного шара, чтобы изолировать мембрану и измерить ее эластичность. Они впервые культивировали клетки рака груди человека, которые естественным образом выделяют белки, чтобы сформировать мембрану вокруг групп клеток, известных как опухолевые сфероиды. Они вырастили несколько сфероидов разного размера и вставили стеклянную микроиглу в каждую опухоль. Они вводили в опухоли жидкость под контролируемым давлением, в результате чего мембраны отделялись от клеток и раздувались, как воздушный шар.
Исследователи применяли различное постоянное давление, чтобы надуть мембраны до тех пор, пока они не достигли устойчивого состояния или не могли больше расширяться, а затем отключили давление.
«Это очень простой эксперимент, который может рассказать вам кое-что», - говорит Гуо. "Первый заключается в том, что когда вы вводите давление, чтобы раздувать этот шар, он становится намного больше, чем его первоначальный размер. И как только вы ослабляете давление, он постепенно сжимается, что является классическим поведением эластичного материала, похожего на резину. воздушный шар ".
Эластичная застежка
Когда они надували каждый сфероид, исследователи наблюдали, что, хотя способность базальной мембраны раздуваться и сдуваться показывала, что в целом она была эластичной, как воздушный шар, более конкретные детали этого поведения на удивление отличались.
Чтобы надуть латексный шар, обычно требуется много усилий и давления для начала. Как только он начинает работать и начинает немного надуваться, надувать воздушный шар становится намного легче.
«Обычно, когда радиус воздушного шара увеличивается примерно на 38 процентов, вам не нужно больше дуть - просто поддерживайте давление, и воздушный шар резко расширится», - говорит Гуо.
Это явление, известное как нестабильность с защелкиванием, наблюдается в воздушных шарах, сделанных из материалов, которые являются линейно эластичными, что означает, что присущая им эластичность или жесткость не изменяется при деформации или надувании.
Но, основываясь на своих измерениях, исследователи обнаружили, что базальная мембрана вместо этого стала более жесткой или более устойчивой по мере надувания, что указывает на то, что материал нелинейно эластичен и может изменять свою жесткость при деформации.
«Если возникнет внезапная нестабильность, опухоль станет катастрофой - она просто взорвется», - говорит Го. «В данном случае это не так. Это указывает мне на то, что базальная мембрана обеспечивает контроль над ростом».
Команда планирует измерить свойства мембраны на разных стадиях развития рака, а также ее поведение вокруг здоровых тканей и органов. Они также изучают способы изменить эластичность мембраны, чтобы увидеть, не предотвратит ли ее повышение жесткости раковые клетки от прорыва.
«Мы активно следим за тем, как изменить механику этих мембран и применять возмущения к моделям рака груди, чтобы посмотреть, сможем ли мы отсрочить их вторжение или метастазирование», - говорит Гуо. «Это аналогия создания более жесткого воздушного шара , который мы планируем попробовать».
ИСТОЧНИК: Hui Li el al., "Nonlinear elasticity of biological basement membrane revealed by rapid inflation and deflation," PNAS (2021).
Journal information