Сосредоточив внимание на макроскопических свойствах больших наборов данных, статистическая физика позволяет получить обзор поведения системы независимо от ее конкретного микроскопического характера. Применительно к биологическим элементам, таким как фронты клеток, граничащие с раной, этот подход позволяет идентифицировать различные взаимодействия, которые играют определяющую роль во время роста, дифференциации и заживления тканей, но, прежде всего, для выделения их иерархии в различных наблюдаемых масштабах. Патриция Парух, профессор кафедры квантовой физики материи на факультете естественных наук UNIGE, объясняет: «При инвазии раковой опухоли или в случае раны решающее значение имеет пролиферация фронта клеток, но скорость и морфология фронта очень высоки. Переменная.
Однако мы полагаем, что только несколько доминирующих взаимодействий во время этого процесса будут определять динамику и форму (например, гладкую или грубую) края колонии клетки. Экспериментальные наблюдения в нескольких масштабах для определения общего поведения могут позволить нам идентифицировать эти взаимодействия в здоровых тканях и диагностировать, на каком уровне могут происходить патологические изменения, чтобы помочь бороться с ними. Вот где появляется статистическая физика."
Многочисленные масштабы заживления ран
В этом междисциплинарном исследовании физики UNIGE сотрудничали с командой профессора Стивена Брауна из UZH. Используя эпителиальные клетки крыс, они создали плоские колонии (2D), в которых клетки растут вокруг силиконовой вставки, а затем удаляются, чтобы имитировать открытое поражение.
Затем клеточные фронты разрастаются, чтобы заполнить отверстие и зажить ткань. «Мы воспроизвели пять возможных сценариев,« ограничивая »клетки различными способами, чтобы увидеть, какое влияние это оказывает на заживление ран, i.е. о скорости и неровности клеточного фронта ", – объясняет Гийом Рапен, исследователь в команде Патриции Парух. Идея состоит в том, чтобы увидеть, что происходит в нормальной здоровой ткани или когда процессы, такие как деление клеток и связь между соседними клетками, ингибируются, когда подвижность клеток снижается или когда клетки постоянно фармакологически стимулируются. «Мы делали около 300 изображений каждые четыре часа в течение примерно 80 часов, что позволило нам наблюдать фронты пролиферирующих клеток в самых разных масштабах», – продолжает Гийом Рапен. «Применяя высокопроизводительные вычислительные методы, мы смогли сравнить наши экспериментальные наблюдения с результатами численного моделирования», – добавляет Нирвана Кабальеро, другой исследователь в команде Патриции Парух.
Уменьшение для большего эффекта
Ученые наблюдали два различных режима шероховатости: менее 15 микрометров, меньше размера одной ячейки, и от 80 до 200 микрометров, когда задействовано несколько ячеек. «Мы проанализировали, как показатель шероховатости изменяется с течением времени, чтобы достичь своего естественного динамического равновесия, в зависимости от фармакохимических условий, которые мы наложили на клетки, и как эта шероховатость увеличивается в зависимости от масштаба, на который мы смотрим», – подчеркивает Нирвана Кабальеро. "В системе с одним доминирующим взаимодействием мы ожидаем увидеть один и тот же показатель шероховатости на всех уровнях.
Здесь мы видим изменяющуюся шероховатость, если смотреть в масштабе одной ячейки или десяти ячеек."
Команды из Женевы и Цюриха выявили лишь незначительные отклонения показателя шероховатости ниже 15 микрометров, независимо от условий, наложенных на фронты ячеек.
С другой стороны, они обнаружили, что между 80 и 150 микрометрами шероховатость изменяется всеми фармакологическими ингибиторами, что значительно снижает показатель шероховатости. Более того, они наблюдали, что скорость пролиферации сильно различалась в зависимости от различных фармакохимических условий, замедляясь, когда деление и подвижность клеток подавлялось, и ускорялась, когда клетки стимулировались. «Что еще более удивительно, самая быстрая скорость распространения была достигнута, когда связь между клетками через щелевые соединения была заблокирована», – говорит Гийом Рапин. Это наблюдение предполагает, что такое общение может быть нацелено на будущие методы лечения либо для ускорения заживления ожогов или ран, либо для замедления инвазии раковой опухоли.
Эти результаты показывают, что взаимодействия среднего масштаба играют решающую роль в определении здоровой пролиферации клеточного фронта. «Теперь мы знаем, в каком масштабе биологи должны искать проблемное поведение клеточных фронтов, которое может привести к развитию опухолей», – говорит Нирвана Кабальеро. Теперь ученые смогут сосредоточиться на этих ключевых масштабах, чтобы исследовать фронты опухолевых клеток и напрямую сравнивать их патологические взаимодействия со здоровыми клетками.