Förändringar i cellers mekaniska egenskaper är bland de tidigaste tecknen på utveckling av cancer. Hittills har ett av de största hindren för användningen av mekanik vid cancerdiagnostik varit avsaknaden av ett standardiserat mätförfarande som skulle garantera reproducerbarhet och tillförlitlighet av resultaten. Tack vare europeiskt vetenskapligt samarbete med institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow har detta hinder nu undanröjts.

När friska celler omvandlas till cancerceller förändras deras mekaniska egenskaper. Denna observation skulle kunna användas för att snabbt upptäcka cancer hos patienter, men bara om de mekaniska mätningarna av proverna som togs var verkligen tillförlitliga. Ett viktigt steg mot detta mål är förslaget att standardisera mätningar, som just har presenterats i Nanoscale .

Den publicerade artikeln är resultatet av flera års samarbete mellan forskare från de europeiska universiteten i Amsterdam, Barcelona, ​​Bremen, Lille, Marseille, Milano, Münster och Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow.

1999 visades det på IFJ PAN att i förhållande till friska celler kännetecknas cancerceller av en ökad deformerbarhet av cytoskelettet, vilket gör det lättare för dem att tränga sig igenom de smala kärlen i blodet och/eller lymfsystemet och bilda metastaser. Idag vet vi att bröst-, tarm-, urinblåsa- eller prostatacancerceller blir mjukare redan i de tidiga stadierna av tumörtransformation, medan andras celler, som leukemier, blir stelare.

Även om förändringen i de mekaniska egenskaperna hos cellerna också kan orsakas av andra faktorer, såsom inflammation, gör dess närvaro helt klart att det är ofrånkomligt med ytterligare mer exakta undersökningar hos patienten.

"Om vi ​​hade ett reproducerbart mätförfarande till vårt förfogande, med hjälp av lämplig laboratorieutrustning, skulle vi snabbt kunna upptäcka avvikelser i cellers mekaniska egenskaper, vilket starkt indikerar möjligheten att cancerförändringar utvecklas i patientens kropp", säger prof. Malgorzata. Lekka (IFJ PAN) och noterar att termen "snabbt" här har en dubbel betydelse.

"Å ena sidan kan vi försöka diagnostisera cancer i det inledande skedet av dess utveckling, där andra tester vanligtvis ännu inte visar signifikanta cellförändringar. Å andra sidan är det helt enkelt så att själva mätproceduren inte är särskilt betungande - det kräver inte stora mängder biologiskt material eller tar mycket tid."

Förändringar i de biomekaniska egenskaperna hos celler kan mätas med hjälp av atomkraftmikroskop (AFM). Enheter av denna typ används vanligtvis för att avbilda mikrovärlden, även i skalor som tillåter detektering av enstaka atomer. Det viktiga här är att i AFM:er kan en exakt definierad kraft appliceras på substratet som undersöks med hjälp av deras sonder.

Om substratet är en cell, gör dess mekaniska respons det möjligt att bestämma elasticitetskoefficienten (Youngs modul) och, på grundval av detta, att dra slutsatser om elasticiteten inte bara för strukturer vid cellmembranet utan även i närheten av cellen kärna.

Atomkraftsmikroskop är inte bland de dyraste laboratorieinstrumenten, men de kan inte sägas vara billiga. Lyckligtvis finns det enklare versioner:enheter som kallas indenters, som saknar avbildningsfunktionen, men som är fullt tillräckliga för att studera cellers mekaniska egenskaper.

"Den främsta faktorn som begränsat utvecklingen av vår metod för att diagnostisera cancer hittills har därför inte varit kostnaden för utrustningen, utan avsaknaden av en lämplig mätprocedur. För att säga det rakt ut, resultaten som erhållits i olika laboratorier, på apparater från olika tillverkare, på olika preparerade prover, var inte tillräckligt reproducerbara för att kunna användas som underlag för ansvarsfulla beslut om inriktningen av ytterligare medicinska åtgärder", förklarar prof. Lekka.

I sin senaste uppsats visar den internationella forskargruppen att genom att följa en noggrant utvecklad procedur kommer alltid samma Youngs modulvärde att erhållas för samma celler, oavsett var mätningen utförs eller tillverkaren av den apparat som används.

I protokollet ingår bland annat provberedning, kalibrering av mätapparaten och hur man analyserar resultaten. För att öka tillförlitligheten av mätningarna var det viktigt att ta hänsyn till påverkan av det styva substrat som tumörcellerna avsattes på.

Förändringar i cellers mekaniska egenskaper inträffar tidigare än optiska förändringar i cancer, så den föreslagna metoden kommer att göra det möjligt att upptäcka sjukdomen längre i förväg än tidigare. Värdet av denna framgång kommer sannolikt att variera mellan olika typer av cancer, men detta kommer bara att avgöras av framtida studier. Det är dock redan känt med säkerhet att den nya diagnosmetoden är känsligare än de optiska tekniker som för närvarande används vid cancerdiagnostik.

Användningen av standardiserade mätprocedurer, tillsammans med automatisk dataregistrering och analys, gör att testet kan utföras på kortare tid. Istället för att vänta flera veckor på resultatet kommer patienten att kunna få det efter bara några dagar.

Inom en snar framtid avser forskarna att fokusera på att ytterligare minska antalet falskt positiva diagnoser och testa proceduren i studier av utvalda sjukdomsenheter. Innan tekniken för mekanisk detektering av cancerskador når sjukhus, kommer en klinisk prövningsfas fortfarande att vara nödvändig, som kommer att genomföras i samarbete med intresserade medicinska enheter.

Mer information: Sandra Pérez-Domínguez et al, Pålitliga, standardiserade mätningar för cellmekaniska egenskaper, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02034G

Journalinformation: Nanoskala

Tillhandahålls av Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics Polska vetenskapsakademin