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物理腫瘍学

物理腫瘍学 (PO)は、癌性腫瘍における機械的シグナルの役割の研究として定義されます。機械的信号は、力、圧力(「プル」、「プッシュ」、および「せん断」で、押す、引く、または接線方向の力/圧力を指定する)にすることができます。一般化すると、「応力場」と「応力テンソル」について話します。

がん性腫瘍(または腫瘍学者の専門用語で血液腫瘍と区別するための「固形腫瘍」)は、2つの組織で構成される臓器です。または結合組織。結合組織の概念は、生物全体(脳を除く)を移動する組織を定義し、機械的信号の好ましい送信機であるため、興味深いものです。しかし、この結合システムから隔離された癌の臓器については、ECMという用語を好みます。

がん組織は、身体の正常組織に由来します。乳がんは、正常乳腺組織のがん性形質転換から発生します。それは元の組織に多かれ少なかれ似ています:多かれ少なかれ分化していると言われています。分化度が低いため、正常組織から遠く離れた「予後不良」の微視的な外観を持ち、転移が多くなり、治療が難しくなります。

私たちは、「エピテリア」、つまり、空気、液体、または外界との界面で臓器を覆う組織に由来する癌のみを考慮しています。上皮細胞は連続しており、極性があります。癌の90%以上(乳房、前立腺、結腸/直腸、気管支、膵臓など)は、長い癌化プロセスの後にこれらの上皮から発生します。

がん臓器の両方の組織

ECM

ECMは、タンパク質(ほとんどはコラーゲン)に分散した細胞(免疫、線維芽細胞など)の混合物です。腫瘍を囲んでいます。

これは、結合組織および基底膜に類似しています。基底膜は、局所的な凝縮であり、正常な上皮の下にあります。この結合組織により、酸素および栄養素が上皮に拡散し、血管新生されません。

腫瘍ECMでは、腫瘍の1 mm3を超えると急速に血管のネットワークが形成され、腫瘍の周囲の「血管新生」(「血管新生」により誘発される)により、がん組織自体に酸素と栄養素が拡散します。血管新生されていません。

がん組織

上皮の癌性形質転換に由来する癌性組織自体。

がん化

これは複数年にわたるプロセスです。がんの出現は、基底膜が1つまたは複数のがん細胞によって下にある結合組織と交差することによって示されます。

生物の生物学における機械的シグナルの重要性の再発見

特に米国のいくつかのチームは、腫瘍学における非生物学的シグナルの研究に関する専門知識を維持していました(ドナルド・インガー、ミナ・ビッセル、ヴァレリー・ウィーバー、ラケシュ・J・ジャインなど)。

しかし、20世紀半ば以降の遺伝学と分子生物学の絶対的な優位性により、21世紀の初めに復活するまで、このアプローチは取り残されていました。この更新では、機械生物学的アプローチにおける遺伝学と分子生物学の計り知れない利益を考慮に入れています。一方、POはこれらの成果のおかげで結果を検証しますが、概念を使用しません。

POと機械信号を適切に見つけるには

生物学/力学の比較

入力信号 出力信号
生物学生物学的生物学的
メカノバイオロジー機械的生物学的
物理腫瘍学機械的機械的

生物学的信号と物理的信号の違い

サポート 信号の送信 信号の変調 信号の性質 アクション 宇宙での可逆性
生物学的 液体スロー難しい生化学スロー番号
非圧縮性ステップバイステップ一方向
物理的 半固体

(細胞体積の20%)

圧縮可能

速い

ほぼ瞬時

かんたん機械的速いはい

双方向

したがって、メカニカルシグナルの使用は、POとは目的が大きく異なるメカノバイオロジーのサポートでもあります。実際、上の表に示すように、メカノバイオロジーのサポートであるメカノトランスダクションの研究では、機械的な「入力」(信号入力)を使用しますが、出力で収集される信号(「出力」)は生物学的です。結果として、メカノバイオロジーで発表された記事の多くは、「治療分子を見つけるためのターゲットを定義しました」というフレーズで終わります。これは、機械的信号自体による治療アプローチを排除します。

しかし、物理科学から生物科学へのこの移行は、数学と言語生物学の法則に基づいた定量的な物理学と定性的な物理学の2つの科学の間に橋がないため、問題があります。

OPは、機械的出力が機械的出力に与える影響を調査することを目的としています。この出力は、組織アーキテクチャで合成できることがわかります。

組織表現型の定義

がんの診断は、顕微鏡下で腫瘍の断片を観察することにより行われます(生検)。組織の表現型-ここでは癌性組織-は、細胞と組織の表現型の合計です。細胞の表現型は、特定の細胞で発現する遺伝子型(および環境のエピジェネティクス)の翻訳であると想定されています。したがって、肝臓細胞は同じ遺伝子を発現しないため、膵臓細胞のようには見えません。 (すべての細胞のゲノムに存在するすべて)。

これらの特徴は、分化、細胞分裂(有糸分裂)、アポトーシス(または「細胞自殺」)および細胞死によって要約されます。顕微鏡下で診断を担当する医師(病理学者)は、これらの基準に基づいて生検について説明します。組織の表現型は建築に集中しています。通常の組織は、脳によく知られているユークリッド(六角形、台形、円など)です。癌はフラクタルであり、あまり馴染みがありません。それは、細胞の表現型の予後および成分と非常に強く相関するフラクタル性係数で要約することができます。したがって、フラクタル性の高い係数は、多くの有糸分裂、わずかなアポトーシスおよび予後不良を伴う低分化腫瘍と相関しています。

そして、ここでMina Bissellに言及する必要があります:「腫瘍学では、組織の表現型は細胞の遺伝子型よりも支配的です」。

静かな革命:三次元モデル(3D)およびその他のモデル(スフェロイド、動物異種移植片...)

OPは、in vitroおよびin vivoモデルを患者の癌性腫瘍の現実により近づけることができる、明らかに小さな技術的変更によって可能になりました。

非常に長い間、2次元(2D)細胞培養は、ガラス、そしてプラスチックの箱で使用されてきました。このように、培養細胞は、非常に硬い材料で、ヤング率で測定される剛性で、これらの支持体に対して非常に高い状態で底に付着した。

ヤングのモジュール

ヤング率または弾性率は、等方性弾性材料の引張/圧縮応力と変形の始まりに関連する定数です。

これは、圧力の単位であるパスカル(Pa)で表されます。

次に、分割により多細胞球を構成し、例えばコラーゲンの量に応じて、生体組織および可変組織のヤング率に近いヤング率でゲル様培地に囲まれた細胞を含む三次元(3D)培養が出現しましたこれらの文化を3Dで囲みます。オルガノイド、スフェロイドは、このタイプの文化の変種です。

同時に、動物モデルは臨床的現実との類似性を高めるためにそこで進化しました。ヒト腫瘍異種移植は今日の標準であり、同所移植は-例えばマウス膵臓の膵臓のヒト癌-最高の実験モデルの一つです。

これらの3D培養により、成長中の腫瘍組織を取り巻く培地を「仮想ECM」として使用できるようになるため、診療所と実験のリンクがより現実的になります。成長した。

同様に、異種移植片は、ECMが動物起源であっても、両方の組織で癌臓器を構成できます。

がんで難しいこと

それはECMです。そのため、医師または患者が「乳房の硬いしこり」を感じ、それが癌である場合、難しいのはECMであり、腫瘍自体は正常な乳房組織よりも柔らかいです。これは、in vitroおよび最近ではex vivoで実証されており、まもなくin vivoになります。

試験管内で

in vitroでのスフェロイドの成長に対するストレスの役割はすでに示されていましたが(G Helmingerはすでに引用)、2005年のMatthew Paszek(記事の最後の署名者:Valerie Weaver)の実験は、この使用の新しい次元を与えます乳房腺房の通常の構造-乳腺の基本単位-単一の変数の影響下での癌性の構造、ここではコラーゲンの濃度の増加によって引き起こされる表面張力からの経過を示すことによるin vitroでの機械的信号腫瘍を取り巻く培地で。

制約が緩和されると、あるアーキテクチャから別のアーキテクチャへの移行が進行性があり、可逆的であることを明確に確認できます。がん化の生物学的マーカー(カテニン、インテグリンなど)の濃度の変化は、中央の空洞の消失とともに、組織の表現型の変化を強調しています。

さらに、この実験は、従来の破壊的アプローチに取って代わることを目的とした、王室の治療法である癌の可逆性への道を開きます。

別の実験も同様に壮観です。

Gautham Venugopalan ASCB 2012によると

3Dでin vitroで培養された悪性乳房細胞は、写真の左側に「乱れた」塊(フラクタルを翻訳する)を形成します。

しかし、圧縮の数分後、それらは右側にユークリッドの房を形成します。

他の著者は、さまざまな機械的信号を持つさまざまなモデルでこの作業を拡張しています。 F Montelらは、特に、ヒト癌起源のスフェロイドで、ストレスへの応答におけるアポトーシスの非常に有意な増加を実証しています。

これらの3D培養では、ECM内外のコラーゲン線維の組織化も示されており、機械信号の遠隔伝送と、腫瘍、ECM、および通常の環境間の「テンソルダイアログ」が可能です。

しかし、これらの実験には、in vivoでは使用できない物理的変数(表面張力、浸透圧など)を適用するという共通点があります。

エクスビボ

M Plodinec et al。 ex vivoで生かされている乳癌生検を使用してこの作業を拡張し、原子間力顕微鏡(AFM)に渡して、これらの正常な乳房生検、良性および悪性のさまざまな組織成分のヤング率を測定しました。

このチームは、単離された細胞と2D培養ですでに広く調査された結果を見つけます。癌組織のヤング率は約0.8 kPa、正常組織の弾性率は約1.1 kPaです。 ECMには2 kPaを超えるモジュールがあります。

この違い-癌組織はその通常の対応物よりも柔らかい-すべての腫瘍学、すべての癌を組み合わせて、異形成細胞から腫瘍および転移細胞に渡ります。

細胞と組織のすべての測定値は同じ結論に向かって収束します:癌性組織の弾性率は、癌の「危険性」と逆相関します:腫瘍が軟らかいほど、未分化であるほど、転移します。現在の治療に反応することは少なくなります...

生体内

治療目的のOPでは、R Brossel et al。による論文のみが見つかります。 (2016)拘束を適用することにより、げっ歯類に皮下移植された腫瘍に作用する可能性を示しています。

この概念実証で検証されます。治療群と対照群には大きな違いがあります。この違いは、3つのコントロールグループ(粒子あり、勾配なし、勾配あり、粒子なし、勾配なし)に比べて、治療群で非常に大幅に減少する(p = 0.015)in vivoで測定された腫瘍の体積に関するものです。デジタル化された組織切片で生体外で生体腫瘍の表面を測定する場合、治療群に有利な有意差もあります(p = 0.001)。

結果

移植マウスのグループ 腫瘍体積中央値(mm3) p(差の意味)
扱われるグループ 529 p = 0.015
コントロールグループ* 1 334
平均

(mm2)

ex vivoでデジタル化された組織切片上の腫瘍領域
扱われたグループ 7.7 p = 0.001
コントロールグループ* 23.1; 21.4; 26.8

*マウスの3つのグループ:粒子のみ。勾配だけで;粒子または勾配なし

ECMに課されるこのフィールドは、腫瘍組織にすでに存在するフィールドに重畳されます。 in vitroとの違いに注意してください。invitroでのECMによる閉じ込めや、ECMと腫瘍組織間の物理的連続性を確保するインテグリンによる固定はありません。したがって、機械信号の距離まで伝播できます。

この観点では、「ストレスの場」が治療薬になります。

この応力は、鉄ナノ粒子を介して作用するため、磁化可能で、腫瘍の周囲に位置し(腫瘍内ではなく)、固定磁石によって生成される磁場勾配に動物の外側からさらされます。ナノ粒子は、磁気エネルギーの一部を機械的エネルギーに変換する「バイオアクチュエータ」として機能します。

この作業に、その名前が示すように、ボクセルごとにボクセル、腫瘍組織に含まれる制約を測定することを目的とするヨーロッパのプロジェクト「Imaging Force of Cancer」をリンクできます。このプログラムは、乳房、原始的な肝臓、脳に焦点を当てています。

このプロジェクトは、MRIエラストグラフィーに基づいています。MRIエラストグラフィーは、in vivo、in situ、および非摂動型のひずみ測定の参照方法です。つまり、組織に生じる非常に小さな弾性ひずみは、つまり、制約のことです。したがって、腫瘍組織のストレステンソルを、それを修正することを望む腫瘍内の必須の開始基盤を著しく乱すことなく、in vivo、in situで構築することが可能になるはずです。

マトリックスの剛性の増加によって誘導されるインテグリンから来るシグナルの増加を実証するin vivo実験もあります

孤立した細胞

マイクロパターニング

細胞のパターニングにより、細胞の構造が支持体によって生じる張力に依存することを示すことができ、これらの支持体の剛性に応じて変化します。これにより、「外部」、ここでは支持体(ガラス、プラスチック、ゲル)、およびCytoSKeleton(CSK)と核の間の機械的信号の伝達について仮説を立てることができました。

各細胞のCSKにおける平衡は、収縮性のマイクロフィラメントと圧縮に抵抗する微小管の間です。また、平衡状態で相殺する圧力と緊張のゲームによってECMのメンバーシップで行われます。エネルギーはアクチンによって与えられます。

マイクロパターニングは、これらの現象を支持体に固定されたセルの規模で明確に示しています。

ECMの剛性の増加:細胞の拡散-サポート上で、ECMの表現-は細胞分裂に必要です(したがって、成長)。

ECMの剛性の低下:ECMが変形すると、細胞の牽引力が増殖の停止と細胞の分化またはアポトーシスを引き起こします。

したがって、機械的信号を伝達する柔らかい素材には事前にストレスがかけられており、これにより、スケールに応じた量的分布で体内の力の伝達が可能になります。骨格、巨視的な構造は、孤立した臓器よりもはるかに大きな力を伝達します。

器官の組織の規模では、インテグリン、カドヘリン、焦点癒着(すべての細胞間接合部およびETM /細胞)、膜、CSKなどを含む機械信号伝達ネットワーク全体もエネルギーの生成をサポートします。実際、ミトコンドリアはこのネットワークの不可欠な部分であり、半固体(非液体)相の生化学は組織代謝の重要な部分です。

ここで、機械信号による治療の原理を見つけます。

循環細胞

循環腫瘍細胞(CTC)は分離可能で、その剛性は非常に簡単に測定できます。多くの記事が、2D培養の細胞ですでに知られていることを検証することができました:CTCのヤング率は、すべてのパラメーターで癌の重症度と非常に強く相関しています:分化、転移能、予後および予測相関...

そして、これらの相関関係は、化生、異形成、in situ、および癌性細胞に有効です。

転移細胞の旅

これらのCTCは、まずECMを通過し、血流またはリンパ管に入り、その後循環のために組織に付着して転移する必要があります。最近、多くの記事がこの「旅」とそれを区切る多くの物理的要素についてコメントしています。

制約のさまざまなコンポーネント

腫瘍は成長中に機械的エネルギーを蓄積します。 Stylianopoulosの記事では、著者は簡単な手法を使用して腫瘍の制約を強調しています。exvivoの腫瘍レーザー切断は蓄積された制約を解放します。それらは、測定でき、基礎となるストレスに関連するバルジとして表されます。腫瘍の中心では、放射状および円周方向の応力は圧縮的です。腫瘍の周辺では、半径方向の応力は圧縮性であり、円周方向の応力は腫瘍の外側限界に沿った直線的な牽引力です。

腫瘍の成長は、周囲の健康な組織にストレスを与えます。

ExtraCellular Matrix(ECM)とECMと接触している細胞は、相互の緊張を発揮します。

腫瘍組織の細胞は、それらの間に緊張を及ぼします。

これにより、腫瘍内の流体圧が変化し、腫瘍内間質圧が増加します。

切除された腫瘍に存在する内部張力は「残留応力」と呼ばれることがあります:それを切断すると、この残留張力を示す体積の拡大がはっきりと見られます。

別のトラックが、J Fredbergによって2次元で開かれました。

細胞間接着ストレスが増加すると、組織学的構造の変化と液相への固体転移があります。

腫瘍組織の細胞凝集力である機械的エネルギーは、大部分が細胞間接合部に起因し、2つの成分を持つ線形牽引力で表現できます。

  • CSKに由来し、細胞間表面を最小化する正の赤の収縮エネルギー(ユークリッド、支配的な場合は擬似固体)。
  • 接着エネルギー、白、ネガティブ、および表面を最大化する(フラクタル、支配的な場合の擬似液体)。

ソフトマター

ピエール・ジル・ド・ジェンヌによって普及したソフトマターという用語は、固体と液体の間の材料の研究を指します。生物学の周囲温度では、熱エネルギー(kT)は、さまざまなコンポーネント間の相互作用エネルギーと同程度の大きさです。このエントロピー/エンタルピーのバランスにより、これらの生物学的システムは、外部の小さな変動の影響下で根本的に異なる方法で組織化できます。

POの物理学はソフトマター物理学です。

応力テンソル

これは、制約フィールドの概念の一般化です。ボリュームに含まれるすべての圧力を数式で要約します。ここで、それは、固体球体、腫瘍組織、主に粘弾性、および中空球体、ECM、主に弾性のある腫瘍の体積です。中実の球は中空の球に埋め込まれています。

CSKの構成と機械信号を送信する構造の連続性

機械的信号は、連続性を損なうことなく臓器を通過します。組織レベルでは、この連続性を保証するのは結合組織またはECMです。細胞レベルでは、結合組織、細胞膜、CSK、および核の間の連続性がこの伝達を保証します。

どの規模で?生物学/物理学の法則

これまで支配的なアプローチは「ボトムアップ」です:生物学的メカニズム(機械受容体、アクチンおよびCSKの他のコンポーネント、細胞内シグナル伝達、遺伝子エフェクターなど)の理解は、上記のスケールでの現象の理解につながる必要がありますメソスコピック組織。

このアプローチには、突然変異を伴う欠陥のある遺伝子を特定でき、突然変異の結果に応じて薬物によって作用することができる場合の成功事例があります:受容体または酵素。

この「一対一および一次方程式」により、慢性骨髄性白血病をイマチニブによって制御することができました。欠陥のあるBCR-ABL遺伝子は、白血病細胞に存在するチロシンキナーゼ型の酵素の異常なバージョンを製造することを可能にします。イマチニブは、この酵素とこれらの細胞の製造を阻害します。

これらの少数の例外により、この推論は癌全体に適用できると信じるようになりました。

しかし、癌の「方程式」ははるかに複雑です。そして、「標的療法」が癌を治すことの大失敗は実例です。これらの標的療法は、局所がん治療後に補助療法で治療されたHER2陽性乳がんの50%しか治癒していません。それは乳がんの3%です。それで全部です。さらに、乳房や前立腺の「慢性化」への参加は、結腸や直腸を含め、化学療法/ホルモン療法と比較して非常に少なく、今日ではよく使われています。

他のアプローチ、「トップダウン」は、還元主義的アプローチによる予測不可能な現象の出現を考慮します。したがって、発癌が組織構造の破壊幾何学を明らかにするプロセスであることを示す実験的証拠には、システム生物学に入り、物質を細胞/組織レベルに入れるために遺伝レベル以上の遺伝学を放棄する必要があります。

実際、細胞表現型は、細胞間非線形相互作用および環境、つまりECMとの相互作用から生じる新しい現象です。これは通常、アトラクタがランドスケープに点在する安定性または不安定性のポイントである位相空間で記述されます。

フラクタリティ

がんはフラクタルであり、これはそのすべての構成要素で、異なるスケールでミクロ/メソおよび巨視的です。

この幾何学は最近のものであり、私たちの精神的表象にはまだほとんど統合されていません。

最初の観察結果は、マンモグラム上の乳がんに関連する微小石灰化のフラクタル性でした。

その後、がんのフラクタル性は、臓器がんのさまざまな構造-血管新生、腫瘍成長ゾーン、腫瘍組織など-および顕微鏡スケールで実証されています:細胞核、細胞表面。

相乗効果

免疫療法と機械的シグナルの使用との相乗効果は、細胞外マトリックスの剛性によるPDL-1発現と免疫担当細胞の制御を説明する最近の2つの論文で示されているように、非常に可能性が高い。

熱力学

フラクタリティは、進化がリソースの分配に使用されるエネルギーを最小化することを発見した手段です。癌は他の組織とは異なるエネルギー源を使用することを忘れないでください。

患者の死

がん患者の死は何ですか?

いくつかの可能性があります:病気や治療による免疫抑制に関連する感染性合併症、呼吸が不可能になるほど多くの転移によって侵入された肺のような重要な臓器の攻撃、肺塞栓症のような血栓性合併症、終わり投与量を増やした鎮痛薬治療によって引き起こされた生命のしかし、これらすべての原因の背後には、宿主を殺す寄生虫のように振る舞う癌によるエネルギーの転換があります。膵臓癌などのいくつかの特に局所的な癌では、これは特に顕著です。患者は悪液質、つまり大きな栄養失調で死亡します。

大きな祖先とカーペットの下のほこり

ダルシー・トンプソンの素晴らしい直観は、今ではすべてに受け入れられています。器官(がんを含む)と生物がとる形は、組織の機械的性質の時間と空間の変化に依存します。しかし、彼は、理由と方法について何も仮定せずに説明しています。

Jウォルフは、彼にかかる負荷に応じて骨の組織学的変化を説明しました。

これは胸部外科医によく知られています。冠状動脈をバイパスするために静脈が取り除かれ、動脈の位置に移植されると、組織構造が変化し、この新しい圧力体制により動脈になります。

同じ結論は、異なる圧力体制下での骨および軟骨組織の変形に関する研究から導き出すことができます。

1950年代以来、遺伝的パラダイムが出現しました。がんは1つ(またはいくつか)の変異細胞から発生し、進行はすべての恒常性コントロールの腫瘍のないランダムな変異の連続的な蓄積から生じます。

癌遺伝子、サプレッサー遺伝子、安定性遺伝子(世話人)の発見は、癌の誕生と進行を追跡するための一貫した信頼できるセットです。

しかし、矛盾する実験的事実が欠けているわけではありません。発がん物質はすべて変異原(ホルモン...)ではありません。発がん物質の標的は、細胞ではなくECMである可能性があります。非癌性組織と接触させた発癌物質にさらされたECMは、この組織の癌を引き起こしますが、その逆はありません。正常なECMと密接に接触している癌性組織は、再び正常な組織になる可能性があります。

他の著者は、それが胚環境によって、次に体組織によって担当されたときに、癌組織を通常の構造に戻すことが可能であることを示した。

これらの最後の例は、癌性から非癌性への可能な復帰の現実を訴えています。

最後に、より多くの癌は、遺伝的な「原因」よりも感染性の「原因」によるものです。

これらの最後の例は、癌性から非癌性への可能な復帰の現実を訴えています。

がんに対するグローバルなアプローチに向けて

発癌のあらゆる理論は、発癌、異形成、原位置からの癌化、そして基底膜の通過、原発腫瘍の成長、転移の出現を説明しなければなりません。

DW Smithers(1962)を引用しましょう:「交通渋滞は車の病気であるのと同じように、癌は細胞の病気ではありません」。

したがって、異形成から転移に至るこの長いプロセスの機械的シグナルと生物学的シグナルの両方を考慮したグローバルなアプローチが見られます。

この新しい生物学の分野は、腫瘍学を超えて、発生学、組織工学などの結果をもたらします。

物理腫瘍学が見えるようになるのは時が来ました。機械的シグナルを測定できる画像に統合できるようになり、発癌の完全なコンポーネントとして科学分野で表示されるため、表示されます。