Spridningen av tumörer och andra växande vävnader har avslöjat en helt ny typ av fysik.
I ny forskning, publicerad 24 september i tidskriften Nature Physics, fann forskare att levande celler övergår från 2D-ark till 3D-klatter av en tidigare okänd process som kallas "aktiv vätning". Och fysiken i aktiv vätning kan kanske förklara varför och hur cancer sprider sig.
"Om vi kunde hitta sättet att selektivt modifiera dessa krafter i en verklig tumör, vilket är en mycket svår uppgift, skulle vi kunna utforma en behandling för att undvika spridning av cancer," studerade medförfattare Xavier Trepat, Institute for Bioengineering of Catalonia in Spanien och Carlos Pérez-González, från Universidad de La Laguna i Spanien, berättade för Live Science i ett e-postmeddelande.
Aktiv fysik
Varje slags medicinsk ansökan för resultaten är långt borta. Trepat och Pérez-González sa att deras nästa steg kommer att innebära att djupa djupare in i den konstiga fysiken i aktiv vätning, om vilket lite som ännu är känt.
Vad forskarna har funnit är baserat på experiment gjorda i en laboratoriedisk med mänskliga bröstcancerceller. Det hela började, sa Trepat och Pérez-González, med en undersökning av ett protein som heter E-cadherin, som ger vidhäftning mellan celler. Forskarna hade velat veta hur detta protein reglerar spänningen i vävnader eller grupper av celler. Vad de inte förväntade sig var att spänningen i vävnaden kunde bli så hög att deras vävnadsark spontant skulle lossna från den kollagenbelagda gelén som de använde som ett underlag och dra tillbaka till en sfäroidform.
"Första gången vi observerade detta fenomen var vi inte säkra på hur eller varför det hände", sa forskarna till Live Science.
Forskarna kontrasterade aktiv vätning med beteendet hos så kallade passiva vätskor, där det inte finns några levande strukturer för att förändra vätskeflödet. Normalt, i passiva vätskor, dikterar en uppsättning fysikekvationer, kända som Navier-Stokes-ekvationer, fluiddynamiken. I passiva vätskor kallas övergången från 2D-ark till 3D-sfäroid avvätning. Det motsatta, en 3D-sfäroid som sprider sig ut i två dimensioner, kallas vätning. Huruvida vätning eller avvätning sker styrs av ytspänningen på gränssnittet, vätskan och gasen involverad.)
Men eftersom forskarna lekte med cancercellerna i sitt experiment - varierande parametrar som vävnadsstorlek och E-cadherin-nivåer - fann de att cellerna inte uppförde sig som vanliga vätskor i passiv vätning och avvätning. Detta beror på att ett antal aktiva processer, från vävnadens sammandragning till cellunderlagets vidhäftning, avgör om cellerna bollar upp eller sprids ut, fann forskarna.
Övergången mellan den utspridda vätningsfasen och upp ballade uppvätningsfasen beror på konkurrens mellan cellcellkrafter och krafter som fäster cellen till underlaget, säger forskarna.
Cancerövergångar
Vävnader växer och rör sig på många sätt, även under normal utveckling. Men den aktiva vätningsövergången är viktig, eftersom det är det viktigaste ögonblicket att celler går från en innehållande sfärisk till en spridande, platt platta Trepat och Pérez-González sa. Med andra ord, när cirkulära tumörkulor sprids ut och fästs på en yta kan tumören spridas ytterligare.
"Våra resultat skapade en omfattande ram för att förstå vilka krafter som är viktiga för cancerinvasion," sade utredarna. En del av nästa fas av arbetet kommer att vara att flytta studierna från labbskålar och till levande vävnad och verkliga tumörer, tilllade forskarna.
Biologiska system kan vara svåra att passa in i klassiska fysikramar, skrev Richard Morris och Alpha Yap i en kommentar som medföljer den nya artikeln. Morris är en postdoktorisk forskare vid Tata Institute for Fundamental Research i Indien, och Yap är en cellbiolog vid University of Queensland i Australien. Men den nya artikeln är ett "värdefullt steg i rätt riktning" för att göra fysik relevant för biologiska problem, skrev Morris och Yap.
"I det här fallet", skrev de, "lär vi oss att även om idéer från klassisk fysik kan vara fördelaktiga vid karaktäriseringen av biologiska system, måste analogin inte skjutas för långt och nya tillvägagångssätt behövs."
