Des ingénieurs du MIT et d'ailleurs ont suivi l'évolution de cellules individuelles au sein d'une tumeur initialement bénigne, montrer comment les propriétés physiques de ces cellules conduisent la tumeur à devenir invasive, ou métastatique.

L'équipe a mené des expériences avec une tumeur cancéreuse du sein humaine qui s'est développée en laboratoire. Au fur et à mesure que la tumeur grandissait et accumulait plus de cellules sur une période d'environ deux semaines, les chercheurs ont observé que les cellules à l'intérieur de la tumeur étaient petites et rigides, tandis que les cellules à la périphérie étaient molles et plus gonflées. Ces plus doux, les cellules périphériques étaient plus susceptibles de s'étendre au-delà du corps tumoral, formant des "pointes invasives" qui ont fini par se détacher pour se propager ailleurs.

Les chercheurs ont découvert que les cellules sur les bords de la tumeur étaient plus molles car elles contenaient plus d'eau que celles du centre. Les cellules au centre d'une tumeur sont entourées d'autres cellules qui se pressent vers l'intérieur, expulser l'eau des cellules intérieures et dans ces cellules à la périphérie, à travers des canaux de taille nanométrique entre eux appelés jonctions communicantes.

"Vous pouvez penser à la tumeur comme à une éponge, " dit Ming Guo, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. "Quand ils grandissent, ils accumulent des contraintes de compression à l'intérieur de la tumeur, et qui va presser l'eau du noyau vers les cellules à l'extérieur, qui gonflera lentement avec le temps et deviendra également plus doux - ils sont donc plus capables d'envahir. "

Lorsque l'équipe a traité la tumeur pour extraire l'eau des cellules périphériques, les cellules sont devenues plus rigides et moins susceptibles de former des pointes invasives. Inversement, quand ils ont inondé la tumeur avec une solution diluée, les mêmes cellules périphériques ont gonflé et se sont rapidement formées longtemps, pointes en forme de branches qui ont envahi le milieu environnant.

Les résultats, que l'équipe rapporte dans le journal Physique de la nature , indiquer une nouvelle voie pour le traitement du cancer, axé sur la modification des propriétés physiques des cellules cancéreuses pour retarder ou même empêcher la propagation d'une tumeur.

Les co-auteurs de Guo incluent l'auteur principal et postdoctorant du MIT Yu Long Han, avec Guoqiang Xu, Zichen Gu, Jiawei Soleil, Yukun Hao, Staish Kumar Gupta, Yiwei Li, et Wenhui Tang, du MIT ; Adrian Pegoraro et Yuan Yuan de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Hui Li de l'Académie chinoise des sciences; Kaïfu Li, Hua Kang, et Lianghong Teng de la Capital Medical University de Pékin; et Jeffrey Fredberg de la Harvard T. H. Chan School of Public Health à Boston.

Pince à épiler

Les scientifiques soupçonnent que les cellules cancéreuses qui migrent d'une tumeur principale sont capables de le faire en partie à cause de leur plus douce, nature plus souple, permettant aux cellules de se faufiler à travers le système vasculaire labrynthique du corps et de proliférer loin de la tumeur initiale. Des expériences passées ont montré ce doux, nature migratoire dans les cellules cancéreuses individuelles, mais l'équipe de Guo est la première à explorer le rôle de la rigidité cellulaire dans son ensemble, tumeur en développement.

"Les gens ont regardé des cellules individuelles pendant longtemps, mais les organismes sont multicellulaires, systèmes tridimensionnels, " dit Guo. " Chaque cellule est un bloc de construction physique, et nous nous intéressons à la façon dont chaque cellule régule ses propres propriétés physiques, au fur et à mesure que les cellules se développent en un tissu comme une tumeur ou un organe."

Les chercheurs ont utilisé des techniques récemment développées pour cultiver des cellules épithéliales humaines saines en 3D et les transformer en une tumeur cancéreuse du sein humaine en laboratoire. Au cours de la semaine prochaine, les chercheurs ont observé que les cellules se sont multipliées et fusionnées en une tumeur primaire bénigne qui comprenait plusieurs centaines de cellules individuelles. Plusieurs fois dans la semaine, les chercheurs ont infusé le nombre croissant de cellules avec des particules de plastique.

Ils ont ensuite sondé la rigidité de chaque cellule individuelle avec des pincettes optiques, une technique dans laquelle les chercheurs dirigent un faisceau laser hautement focalisé sur une cellule. Dans ce cas, l'équipe a entraîné un laser sur une particule de plastique à l'intérieur de chaque cellule, épingler la particule en place, puis appliquer une légère impulsion pour tenter de déplacer la particule à l'intérieur de la cellule, un peu comme utiliser une pince à épiler pour retirer une coquille d'œuf du jaune environnant.

Guo dit que le degré auquel les chercheurs peuvent déplacer une particule leur donne une idée de la rigidité de la cellule environnante :plus la particule est résistante au déplacement, plus une cellule doit être rigide. De cette façon, les chercheurs ont découvert que les centaines de cellules d'une seule tumeur bénigne présentent un gradient de rigidité ainsi que de taille. Les cellules intérieures étaient plus petites et plus rigides, et plus les cellules étaient éloignées du noyau, plus ils sont devenus doux et gros. Ils sont également devenus plus susceptibles de s'étendre à partir de la tumeur primaire sphérique et de former des branches, ou conseils invasifs.

Pour voir si la modification de la teneur en eau des cellules affecte leur comportement invasif, l'équipe a ajouté des polymères de faible poids moléculaire à la solution tumorale pour extraire l'eau des cellules, et a constaté que les cellules ont rétréci, est devenu plus raide, et étaient moins susceptibles de s'éloigner de la tumeur, une mesure qui a retardé la métastase. Quand ils ont ajouté de l'eau pour diluer la solution tumorale, les cellules, surtout sur les bords, gonflé, est devenu plus doux, et formé plus rapidement des pointes invasives.

Comme dernier test, les chercheurs ont obtenu un échantillon de la tumeur cancéreuse du sein d'une patiente et mesuré la taille de chaque cellule dans l'échantillon de tumeur. Ils ont observé un gradient similaire à ce qu'ils ont trouvé dans leur tumeur dérivée du laboratoire :les cellules au cœur de la tumeur étaient plus petites que celles plus proches de la périphérie.

"Nous avons découvert que cela ne se produit pas uniquement dans un système modèle, c'est réel, " Dit Guo. " Cela signifie que nous pourrons peut-être développer un traitement basé sur l'image physique, pour cibler la rigidité ou la taille des cellules pour voir si cela aide. Si vous rendez les cellules plus rigides, ils sont moins susceptibles de migrer, et cela pourrait potentiellement retarder l'invasion."

Peut-etre un jour, il dit, les cliniciens peuvent être en mesure d'examiner une tumeur et, en fonction de la taille et de la rigidité des cellules, à l'envers, être en mesure de dire avec une certaine confiance si une tumeur va métastaser ou non.

« S'il existe un gradient de taille ou de rigidité établi, vous pouvez savoir que cela causera des problèmes, " dit Guo. " S'il n'y a pas de dégradé, vous pouvez peut-être dire que c'est bien."