Komórki nowotworowe głęboko penetrują swoje środowisko

W baśni Hansa Christiana Andersena „Księżniczka na ziarnku grochu” z 1835 roku księżniczka jest uważana za oryginalną ze względu na jej alergię na groszek umieszczony pod 20 materacami na jej łóżku. Nowe badania przeprowadzone przez McKelvey School of Engineering na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis pokazują, że podobnie jak słynna księżniczka, komórki nowotworowe potrafią wyczuć warstwę komórek poniżej górnej warstwy kolagenu, po której normalnie podróżują, podczas gdy normalne komórki nie.

Amit Pathak, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i materiałoznawstwa, oraz Christopher Walter, badacz ze stopniem doktora w laboratorium Bataka, odkryli, że komórki nowotworowe mają to, co nazywają „mechanosensacją głębi”, czyli zdolnością do wyczuwania właściwości odległych środowisk tuż pod macierzą pozakomórkową. Może to oznaczać, że właściwości mechaniczne macierzy pozakomórkowych znajdujących się daleko od komórek mogą regulować migrację komórek. Wyniki swoich badań opublikowali w Internecie m.in Raporty komórkowe 5 kwietnia.

Pathak i jego zespół od dawna badali sposób migracji komórek, aby określić, w jaki sposób guzy nowotworowe atakują tkanki, jak goją się rany oraz jak rozwijają się narządy i tkanki. Wcześniej wykazali, że komórki poruszają się szybciej w sztywniejszych środowiskach z powodu większych sił trakcyjnych niż w bardziej miękkich środowiskach.

W nowej pracy Pathak i Walter stworzyli dwa rodzaje hydrożeli – jeden twardy i jeden miękki – i dodali na wierzch warstwę macierzy zewnątrzkomórkowej na bazie kolagenu. Korzystając z różnych technik, w tym mikroskopii sił atomowych, obrazowania w wysokiej rozdzielczości i analizy dynamiki migracji komórek, monitorowali zachowanie normalnych ludzkich komórek nabłonkowych piersi i potrójnie ujemnych komórek raka piersi na powierzchniach. Normalne komórki wykazywały niewielkie zmiany kształtu lub rozmiaru i poruszały się powoli po warstwie kolagenu. Komórki nowotworowe na twardym rdzeniu żelu mają wydłużone i bardziej stabilne wypustki, co pomaga im komunikować się przez warstwy macierzy, szybciej migrować i generować większe przyciąganie włókien kolagenowych ze względu na ich mechaniczną głębokość.

„Komórki głęboko wyczuwają swoje środowisko, a ich polaryzacja stabilizuje macierz zewnątrzkomórkową zgodnie z tym, co mówi komórka” – powiedział Pathak. „Te zachowania wskazują, że na kształty komórek rakowych wpływa sztywność żelu bazowego, podczas gdy normalne komórki reagują tylko na natychmiastowy miękki żel kolagenowy. Jest to coś, czego wcześniej nie znano.”

Biegunowość komórek pomaga również generować siłę, dzięki której komórki poruszają się w określonym kierunku, powiedział Walter, ale potrzebują one również zdolności do ciągnięcia włókien kolagenowych i modyfikowania ich środowiska, ponieważ są one bardziej sprzyjające migracji.

„Byliśmy w stanie wyeliminować ich zdolność do wykrywania dystalnej macierzy poprzez cięcie samego kolagenu lub łączenie go razem, eliminując sprzężenie zwrotne, które matryca przekazuje komórkom” – powiedział Walter. „Jeśli przegapisz którykolwiek z mechanizmów, sprzężenie zwrotne ustanie, więc powinni mieć oba”.

To sprzężenie zwrotne z powierzchni jest ważne dla komórki, powiedział Pathak. Jairaj Mathur, doktorant w dziedzinie inżynierii mechanicznej i materiałoznawstwa, opracował model obliczeniowy do integracji sił polaryzacyjnych komórek z przebudową kolagenu, aby wyjaśnić głębokie wykrywanie zaobserwowane w eksperymentach.

„Nasz model pokazuje, że jeśli nie masz tego sprzężenia zwrotnego między komórkami a matrycą, to wykrywanie głębi może nastąpić przez krótki czas, ale nie będzie kontynuowane” – powiedział. „I dlatego komórki rakowe są w tym tak dobre, ponieważ mogą rekrutować macierz do migracji i wykrywania głębi”.