Inom materialfysiken är förståelse för hur system interagerar över gränssnitten som skiljer dem av centralt intresse. Men kan fysiska modeller klargöra liknande begrepp i levande system, som celler? Fysiker vid universitetet i Genève (UNIGE), i samarbete med Zürichs universitet (UZH), använde ramarna för störda elastiska system för att studera processen för sårläkning - spridningen av cellfronter som så småningom går ihop för att stänga en skada. Deras studie identifierade skalorna för de dominerande interaktionerna mellan celler som avgör denna process. Resultaten, publicerad i tidningen Vetenskapliga rapporter , kommer att möjliggöra bättre analys av cellfrontens beteende, när det gäller både sårläkning och tumörutveckling. I framtiden, detta tillvägagångssätt kan erbjuda personlig diagnostik för att klassificera cancer och bättre rikta deras behandling, och identifiera nya farmakologiska mål för transplantation.

Genom att fokusera på makroskopiska egenskaper hos stora datamängder, statistisk fysik gör det möjligt att extrahera en översikt över systembeteende oberoende av dess specifika mikroskopiska karaktär. Tillämpas på biologiska element, som cellfronterna som gränsar till ett sår, detta tillvägagångssätt gör det möjligt att identifiera de olika interaktioner som spelar en avgörande roll under vävnadstillväxt, differentiering, och helande, men framför allt för att lyfta fram deras hierarki på de olika skalor som observerats. Patrycja Paruch, professor vid Institutionen för kvantämnesfysik vid UNIGE naturvetenskapliga fakulteten, förklarar:"För cancertumörinvasion, eller vid sår, cellfrontens spridning är avgörande, men hastigheten och morfologin på fronten är mycket varierande. Dock, vi tror att endast ett fåtal dominerande interaktioner under denna process kommer att definiera dynamiken och formen - smidig eller grov, till exempel — av cellkolonikanten. Experimentella observationer över flera längdskalor för att extrahera allmänna beteenden kan tillåta oss att identifiera dessa interaktioner i frisk vävnad och diagnostisera på vilken nivå patologiska förändringar kan inträffa, för att bekämpa dem. Det är här statistisk fysik kommer in. "

De många skalorna för sårläkning

I denna tvärvetenskapliga studie, UNIGE -fysikerna samarbetade med teamet av professor Steven Brown från UZH. Med hjälp av råttepitelceller, de etablerade platta kolonier (2D) där cellerna växer runt en silikoninsats, därefter avlägsnas för att efterlikna en öppen lesion. Cellfronterna förökas sedan för att fylla öppningen och läka vävnaden. "Vi reproducerade fem möjliga scenarier genom att" handikappa "cellerna på olika sätt, för att se vilken inverkan detta har på sårläkning, dvs. på cellfrontens hastighet och grovhet, "förklarar Guillaume Rapin, en forskare i Patrycja Paruchs team. Tanken är att se vad som händer i normal frisk vävnad, eller när processer som celldelning och kommunikation mellan närliggande celler hämmas, när cellmobilitet reduceras eller när celler är permanent farmakologiskt stimulerade. "Vi tog cirka 300 bilder var fjärde timme i cirka 80 timmar, som gjorde det möjligt för oss att observera de spridande cellfronterna i mycket olika skalor, "fortsätter Guillaume Rapin." Genom att tillämpa högpresterande beräkningstekniker, vi kunde jämföra våra experimentella observationer med resultaten från numeriska simuleringar, "tillägger Nirvana Caballero, en annan forskare i Patrycja Paruchs team.

Zooma ut för större effekt

Forskarna observerade två olika grovhetsregimer:vid mindre än 15 mikrometer, under storleken på en enda cell, och mellan 80 och 200 mikrometer, när flera celler är inblandade. "Vi har analyserat hur grovhetsexponenten utvecklas över tiden för att nå sin naturliga dynamiska jämvikt, beroende på de farmakokemiska förhållanden som vi har påfört cellerna, och hur denna grovhet ökar beroende på i vilken skala vi tittar, "understryker Nirvana Caballero." I ett system med en enda dominant interaktion, vi räknar med att se samma grovhetsexponent i alla skalor. Här, vi ser en förändrad grovhet om vi tittar på skalan för en cell eller av 10 celler. "

Teamet i Genève och Zürich avslöjade endast mindre variationer i grovhetsexponenten under 15 mikrometer, oavsett vilka villkor som ställs på cellfronterna. Å andra sidan, de fann att mellan 80 och 150 mikrometer, grovheten ändras av alla farmakologiska hämmare, reducerar grovhetsexponenten avsevärt. Dessutom, de observerade att spridningshastigheten varierade kraftigt mellan de olika farmakokemiska förhållandena, saktar ner när celldelning och motilitet inhiberades, och accelererar när celler stimuleras. "Mer överraskande, den snabbaste spridningshastigheten uppnåddes när gap-junction-kommunikation mellan celler blockerades, "säger Guillaume Rapin. Denna observation tyder på att sådan kommunikation kan vara riktad i framtida terapier, antingen för att främja läkning av brännskador eller sår, eller för att bromsa cancer tumör invasion.

Dessa resultat visar att medelstora interaktioner spelar en avgörande roll för att bestämma den sunda spridningen av en cellfront. "Vi vet nu i vilken skala biologer ska leta efter problematiskt beteende hos cellfronter, vilket kan leda till utveckling av tumörer, "säger Nirvana Caballero. Nu kommer forskare att kunna fokusera på dessa viktiga längder för att undersöka tumörcellsfronter, och direkt jämföra deras patologiska interaktioner med detta av friska celler.