Чтобы раковые клетки метастазировали, они должны сначала освободиться от собственной защиты опухоли. Большинство опухолей покрыты защитной "базальной" мембраной—тонкой, гибкой пленкой, которая удерживает раковые клетки на месте, когда они растут и делятся. Прежде чем распространиться на другие части тела, клетки должны пробить базальную мембрану, материал, который сам по себе был сложным для ученых, чтобы охарактеризовать.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института исследовали базальную мембрану опухолей рака молочной железы и обнаружили, что кажущееся нежным покрытие такое же жесткое, как пластиковая обертка, но удивительно эластичное, как воздушный шар, способный раздуваться вдвое по сравнению с первоначальным размером.

Но в то время как воздушный шар становится намного легче взорвать после некоторых первоначальных усилий, команда обнаружила, что базальная мембрана становится более жесткой по мере ее расширения.

Это жесткое, но эластичное качество может помочь базальным мембранам контролировать рост опухолей. Тот факт, что мембраны, по-видимому, застывают по мере расширения, говорит о том, что они могут сдерживать рост опухоли и потенциал распространения или метастазирования, по крайней мере до определенной степени.

Результаты исследования, опубликованные на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, могут открыть новый путь к предотвращению метастазирования опухоли, которая является наиболее распространенной причиной смерти от рака.

"Теперь мы можем думать о том, как добавить новые материалы или лекарства, чтобы еще больше усилить этот эффект жесткости и увеличить прочность мембраны, чтобы предотвратить прорыв раковых клеток", - говорит Мин Го, ведущий автор исследования и адъюнкт-профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

Среди соавторов Го - первый автор Хуэй Ли из Пекинского нормального университета, Юэ Чжэн и Шэнцян Цай из Калифорнийского университета в Санта-Диего и постдок Массачусетского технологического института Юй Лонг Хань.

Базальная мембрана охватывает не только раковые опухоли, 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 раздельность и четкость.

Группа Го специализируется на изучении клеточной механики, уделяя особое внимание поведению раковых клеток и процессам, которые приводят опухоли к метастазированию. Исследователи изучали, как эти клетки взаимодействуют со своим окружением, когда они мигрируют по организму.

"Критический вопрос, который, как мы поняли, не получил достаточного внимания, заключается в том, что происходит с мембраной, окружающей опухоли?" - говорит Го. - Чтобы выбраться наружу, клеткам нужно пробить этот слой. Что представляет собой этот слой с точки зрения свойств материала? Это что-то, что клетки должны работать очень тяжело, чтобы сломать? Именно это побудило нас заглянуть в подвальную мембрану."

Чтобы измерить свойства мембраны, ученые использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ), используя крошечный механический зонд, чтобы мягко надавить на поверхность мембраны. Сила, необходимая для деформации поверхности, может дать исследователям представление о сопротивлении или упругости материала. Но, поскольку базальная мембрана чрезвычайно тонкая и ее сложно отделить от нижележащей ткани, Го говорит, что из измерений АСМ трудно узнать, 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. Сначала они культивировали клетки рака молочной железы человека, которые естественным образом секретируют белки, образуя мембрану вокруг групп клеток, известных как опухолевые сфероиды. Они вырастили несколько сфероидов различных размеров и вставили в каждую опухоль стеклянную микроиглу. Они вводили опухолям жидкость под контролируемым давлением, заставляя мембраны отделяться от клеток и раздуваться, как воздушный шар.

Исследователи применяли различные постоянные давления, чтобы надуть мембраны, пока они не достигали устойчивого состояния или не могли больше расширяться, а затем отключали давление.

"Это очень простой эксперимент, который может сказать вам несколько вещей", - говорит Го. - Во-первых, когда вы вводите давление, чтобы раздуть этот шар, он становится намного больше, чем его первоначальный размер. И как только вы отпускаете давление, оно постепенно сжимается обратно, что является классическим поведением эластичного материала, похожего на резиновый баллон."

Когда они надували каждый сфероид, исследователи заметили, что, хотя способность базальной мембраны надуваться и сдуваться показывает, что она в целом эластична, как воздушный шар, более конкретные детали этого поведения были удивительно разными.

Чтобы взорвать латексный баллон, как правило, требуется большое количество усилий и давления для запуска. Как только он начинает двигаться и начинает немного надуваться, воздушный шар внезапно становится намного легче взорвать.

"Как правило, как только радиус воздушного шара увеличивается примерно на 38 процентов, вам не нужно дуть сильнее—просто поддерживайте давление, и воздушный шар резко расширится", - говорит Го.

Это явление, известное как разрывная неустойчивость, наблюдается в воздушных шарах, изготовленных из линейно упругих материалов, что означает, что присущая им упругость или жесткость не изменяется при деформации или раздувании.

Но, основываясь на своих измерениях, исследователи обнаружили, что базальная мембрана вместо этого стала более жесткой или более устойчивой по мере ее раздувания, что указывает на то, что материал нелинейно эластичен и способен изменять свою жесткость при деформации.

"Если произойдет внезапная нестабильность, опухоль станет катастрофой-она просто взорвется", - говорит Го. - В данном случае-нет. Это указывает 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 изменения эластичности мембраны, чтобы увидеть, будет ли ее жесткость препятствовать прорыву раковых клеток.

"Мы активно следим за тем, как изменить механику этих мембран и применить возмущения на моделях рака молочной железы, чтобы увидеть, сможем ли мы задержать их инвазию или метастазирование", - говорит Го. "Это аналогия с созданием более жесткого воздушного шара, который мы планируем попробовать."

ИСТОЧНИК