الخلايا المكدسة تكشف فيزياء السرطان

0 4

معلومة تهمك

 

ايهاب محمد زايد-مصر

قد تساعد الآليات الدقيقة للخلايا المكتظة بكثافة في تفسير سبب بقاء بعض الأورام السرطانية في مكانها بينما ينفصل البعض الآخر وينتشر عبر الجسم. في عام 1995 ، عندما كان طالب دراسات عليا في جامعة ماكجيل في مونتريال ، رأى عالم الطب الحيوي بيتر فريدل شيئًا مذهلاً لدرجة أنه أبقاه مستيقظًا لعدة ليال. بدأت مجموعات منسقة من الخلايا السرطانية التي كان ينموها في مختبر مستشاره بالتحرك عبر شبكة من الألياف تهدف إلى محاكاة المسافات بين الخلايا في جسم الإنسان.

 

معلومة تهمك

لأكثر من قرن من الزمان ، كان العلماء يعرفون أن الخلايا السرطانية الفردية يمكن أن تنتشر ، تاركة الورم وتهاجر عبر مجرى الدم والجهاز الليمفاوي إلى أجزاء بعيدة من الجسم. لكن لم ير أحد ما اكتشفه فريدل في مجهره: كتيبة من الخلايا السرطانية تتحرك كجهاز واحد.

 

كان الأمر جديدًا وغريبًا لدرجة أنه واجه مشكلة في نشرها في البداية. قال: “تم رفضه لأن علاقته [بالورم الخبيث] لم تكن واضحة”. نشر فريدل وزملاؤه ورقة بحثية قصيرة في مجلة Cancer Research.

 

بعد عقدين من الزمان ، أصبح علماء الأحياء مقتنعين بشكل متزايد بأن العناقيد المتنقلة من الخلايا السرطانية ، على الرغم من ندرة الخلايا الفردية المنتشرة في الدورة الدموية ، تبذر العديد – ربما معظم – الغزوات النقيلية المميتة التي تسبب 90٪ من جميع وفيات السرطان.

 

ولكن لم يكن فريدل ، الذي يعمل الآن في جامعة رادبود في هولندا ، إلا في عام 2013 ، وشعر حقًا أنه يفهم ما يراه هو وزملاؤه. لقد استقرت الأمور أخيرًا بالنسبة له عندما قرأ ورقة كتبها جيفري فريدبرج ، أستاذ الهندسة الحيوية وعلم وظائف الأعضاء في جامعة هارفارد ، والتي اقترح أن الخلايا يمكن أن “تتكدس” – معبأة معًا بإحكام بحيث تصبح وحدة ، مثل حبوب البن عالقة في قادوس.

 

ركز بحث فريدبرج على خلايا الرئة ، لكن فريدل اعتقد أن الخلايا السرطانية المهاجرة الخاصة به قد تتعطل أيضًا. قال: “أدركت أن لدينا نفس الشيء تمامًا ، في صورة ثلاثية الأبعاد وفي حالة حركة”. “هذا جعلني متحمسًا للغاية ، لأنه كان مفهومًا متاحًا يمكننا وضعه مباشرة في اكتشافنا.” سرعان ما نشر إحدى الأوراق الأولى التي طبقت مفهوم التشويش على القياسات التجريبية للخلايا السرطانية.

 

لطالما زود الفيزيائيون الأطباء بأدوات مكافحة الأورام مثل الإشعاع وأشعة البروتونات. ولكن في الآونة الأخيرة فقط فكر أي شخص بجدية في الفكرة القائلة بأن المفاهيم الفيزيائية البحتة قد تساعدنا في فهم علم الأحياء الأساسي لواحدة من أكثر الظواهر فتكًا في العالم.

 

في السنوات القليلة الماضية ، توصل علماء الفيزياء الذين يدرسون النقائل إلى تنبؤات دقيقة بشكل مدهش لسلوك الخلية. على الرغم من أنها الأيام الأولى ، إلا أن المؤيدين متفائلون بأن التحولات الطورية مثل التشويش ستلعب دورًا متزايد الأهمية في مكافحة السرطان. قال فريدبرج: “من المؤكد أن هناك زخمًا في مجتمع الفيزياء”. “إذا كان الفيزيائيون متعاونين معها ، فسيضطر علماء الأحياء إلى ذلك. تلتزم الخلايا بقواعد الفيزياء – ليس هناك خيار آخر “.

 

مؤشر Jam

 

بالمعنى الواسع ، تم تطبيق المبادئ الفيزيائية على السرطان منذ فترة طويلة قبل وجود الفيزياء كتخصص. أطلق الطبيب اليوناني القديم أبقراط على السرطان اسمه عندما أشار إليه على أنه “سرطان البحر” ، مشيرًا شكل الورم والأوردة المحيطة به إلى درع وأرجل.

 

لكن تلك الأورام الصلبة لا تقتل أكثر من 8 ملايين شخص سنويًا. بمجرد أن تنتشر الخلايا السرطانية من تلقاء نفسها وتنتقل إلى مواقع جديدة في الجسم ، نادرًا ما تفعل الأدوية والعلاجات الأخرى أكثر من إطالة عمر المريض لبضع سنوات.

 

غالبًا ما ينظر علماء الأحياء إلى السرطان في المقام الأول باعتباره برنامجًا جينيًا خاطئًا ، مع حدوث طفرات وتغيرات جينية تنتج خلايا لا تتصرف بالطريقة التي ينبغي لها: قد يتم الكشف عن الجينات المرتبطة بانقسام الخلايا ونموها ، وقد يتم تحويل جينات موت الخلايا المبرمج تحت. ومع ذلك ، فبالنسبة لعدد صغير ولكن متزايد من الفيزيائيين ، فإن تغير الشكل والتغييرات السلوكية في الخلايا السرطانية لا تستدعي برنامجًا جينيًا خاطئًا ، بل إلى مرحلة انتقالية.

 

يعتبر انتقال الطور – تغيير في التنظيم الداخلي للمادة بين الحالات المنظمة والمضطربة – مفهومًا أساسيًا في الفيزياء. أي شخص شاهد الجليد يذوب أو يغلي الماء قد شهد تحولًا طوريًا. حدد الفيزيائيون أيضًا مثل هذه التحولات في المغناطيس والبلورات والطيور المتدفقة وحتى الخلايا (والمكونات الخلوية) الموضوعة في بيئات اصطناعية.

 

ولكن بالمقارنة مع مادة متجانسة مثل الماء أو المغناطيس – أو حتى مجموعة من الخلايا المتماثلة في طبق – فإن السرطان يمثل فوضى عارمة. تختلف السرطانات على نطاق واسع اعتمادًا على الفرد والعضو الذي يتطور فيه.

 

حتى الورم الواحد يتكون من خليط مذهل من الخلايا ذات الأشكال والأحجام والتركيبات البروتينية المختلفة. يمكن لمثل هذه التعقيدات أن تجعل علماء الأحياء حذرين من الإطار النظري العام. لكنهم لا يرعبون الفيزيائيين. قال الفيزيائي Krastan Blagoev ، الذي يدير برنامج National Science Foundation الذي يمول العمل على الفيزياء النظرية في الأنظمة الحية: “علماء الأحياء أكثر تدريباً على النظر في التعقيد والاختلاف”. “يحاول الفيزيائيون النظر إلى ما هو شائع واستخراج السلوكيات من القواسم المشتركة.”

 

في عرض توضيحي لهذا النهج ، نشر الفيزيائيان أندريا ليو ، من جامعة بنسلفانيا حاليًا ، وسيدني ناجل من جامعة شيكاغو تعليقًا موجزًا ​​في مجلة Nature في عام 1998 حول عملية التشويش.

 

وصفوا أمثلة مألوفة: الاختناقات المرورية وأكوام الرمل وحبوب البن عالقة معًا في قادوس محل بقالة. هذه كلها عناصر فردية تم تجميعها معًا بواسطة قوة خارجية بحيث تشبه مادة صلبة. طرح ليو وناجل اقتراحًا استفزازيًا مفاده أن التشويش يمكن أن يكون انتقالًا طوريًا غير معترف به سابقًا ، وهي فكرة قبلها علماء الفيزياء الآن ، بعد أكثر من عقد من النقاش.

 

على الرغم من أنه لم يكن أول ذكر للتشويش في الأدبيات العلمية ، إلا أن ورقة ليو وناجيل أطلقت ما يسميه فريدبرج “طوفانًا” بين علماء الفيزياء. (تم الاستشهاد بالورقة أكثر من 1400 مرة.) أدرك فريدبرج أن الخلايا في أنسجة الرئة ، التي أمضى معظم حياته المهنية في دراستها ، معبأة بشكل وثيق بطريقة مماثلة لحبوب البن والرمل.

 

في عام 2009 ، نشر هو وزملاؤه الورقة الأولى التي تشير إلى أن التشويش يمكن أن يثبت الخلايا في الأنسجة في مكانها ، وأن الانتقال غير المتشابك يمكن أن يحرك بعض هذه الخلايا ، وهو احتمال قد يكون له آثار على الربو وأمراض أخرى.

 

قال فريدبرج إن الورقة ظهرت وسط إدراك متزايد لأهمية الميكانيكا ، وليس الجينات فقط ، في توجيه سلوك الخلية. قال: “لقد اعتقد الناس دائمًا أن الآثار الميكانيكية كانت في أقصى نهاية السلسلة السببية ، وفي أقصى نهاية المنبع هي العوامل الوراثية والتخلقية”. “ثم اكتشف الناس أن القوى الفيزيائية والأحداث الميكانيكية يمكن أن تكون في الواقع منبع الأحداث الجينية – أن الخلايا تدرك تمامًا بيئاتها الميكانيكية الدقيقة.”

 

قرأت ليزا مانينغ ، عالمة الفيزياء بجامعة سيراكيوز ، ورقة فريدبرج وقررت وضع فكرته موضع التنفيذ. استخدمت هي وزملاؤها نموذجًا ثنائي الأبعاد للخلايا المتصلة على طول الحواف والرؤوس ، وملء كل الفراغ. أسفر النموذج عن معلمة طلب – رقم قابل للقياس يحدد الترتيب الداخلي للمادة – أطلقوا عليه “مؤشر الشكل”

 

. يرتبط مؤشر الشكل بمحيط شريحة ثنائية الأبعاد للخلية ومساحة سطحها الإجمالية. قال مانينغ: “لقد توصلنا إلى ما يمكن أن أعتبره تنبؤًا صارمًا بشكل يبعث على السخرية: عندما يساوي هذا الرقم 3.81 أو أقل ، يكون النسيج صلبًا ، وعندما يكون هذا الرقم أعلى من 3.81 ، يكون هذا النسيج سائلًا”. “لقد طلبت من جيف فريدبرج أن يذهب لإلقاء نظرة على هذا ، وقد فعل ذلك ، وقد نجح الأمر على أكمل وجه.”

 

رأى فريدبرج أن خلايا الرئة ذات مؤشر الشكل أعلى من 3.81 بدأت في التحرك والضغط على بعضها البعض. وقال إن تنبؤ مانينغ “جاء من نظرية خالصة ، وفكر خالص”. “إنه حقًا تحقق مذهل من صحة نظرية فيزيائية.”

 

تعرف مسؤول البرنامج في برنامج العلوم الفيزيائية في علم الأورام في المعهد الوطني للسرطان على النتائج وشجع فريدبرج على إجراء تحليل مماثل باستخدام الخلايا السرطانية. وقد منحه البرنامج تمويلًا للبحث عن توقيعات التشويش في خلايا سرطان الثدي.

 

في غضون ذلك ، تساءل جوزيف كاس ، الفيزيائي بجامعة لايبزيغ في ألمانيا ، عما إذا كان التشويش يمكن أن يساعد في تفسير السلوك المحير في الخلايا السرطانية. كان يعلم من دراساته الخاصة ودراسات الآخرين أن أورام الثدي وعنق الرحم ، رغم تيبسها في الغالب ، تحتوي أيضًا على خلايا ناعمة ومتحركة تتدفق إلى البيئة المحيطة.

 

إذا كان الانتقال غير المتشابك يؤدي إلى تسييل هذه الخلايا السرطانية ، فقد تصور Käs على الفور استجابة محتملة: ربما يمكن لتحليل الخزعات استنادًا إلى قياسات حالة التشويش في الخلايا السرطانية ، بدلاً من إجراء الفحص البصري منذ قرن من الزمان ، أن يحدد ما إذا كان الورم موجودًا. على وشك أن ينتشر.

 

يستخدم Käs ​​الآن أداة تعتمد على الليزر للبحث عن علامات التشويش في الأورام ، ويأمل في الحصول على نتائج في وقت لاحق من هذا العام. في دراسة منفصلة بدأت للتو ، يعمل مع مانينغ وزملائها في سيراكيوز للبحث عن انتقالات المرحلة ليس فقط في الخلايا السرطانية نفسها ، ولكن أيضًا في مصفوفة الألياف المحيطة بالأورام.

 

بشكل أكثر تخمينًا ، يعتقد Käs أن الفكرة يمكن أن توفر أيضًا طرقًا جديدة للعلاجات التي تكون ألطف من نهج الصدمة والرهبة الذي يستخدمه الأطباء عادةً لإخضاع الورم. قال: “إذا كان بإمكانك تشويش ورم كامل ، فأنت مصاب بورم حميد – على ما أعتقد”. “إذا وجدت شيئًا يؤدي بشكل أساسي إلى تشويش الخلايا السرطانية بكفاءة ويشتري لك 20 عامًا أخرى ، فقد يكون ذلك أفضل من العلاجات الكيميائية المدمرة للغاية.” ومع ذلك ، يسارع Käs في توضيح أنه غير متأكد من كيفية قيام الطبيب بإحداث التشويش.

 

المتعاونين المنبوذين

 

خارج العيادة ، يمكن أن يساعد التشويش في حل الجدل المفاهيمي المتزايد في بيولوجيا السرطان ، كما يقول المؤيدون. اشتبه أطباء الأورام لعدة عقود في أن الورم الخبيث يتطلب عادة انتقالًا بين الخلايا الظهارية اللزجة ، التي تشكل الجزء الأكبر من الأورام الصلبة ، وخلايا اللحمة المتوسطة الأرق والأكثر قدرة على الحركة والتي غالبًا ما توجد منتشرة منفردة في مجرى دم مرضى السرطان.

 

نظرًا لأن المزيد والمزيد من الدراسات تقدم نتائج تُظهر نشاطًا مشابهًا لنشاط مجموعات خلايا فريدل المهاجرة ، فقد بدأ الباحثون في التساؤل عما إذا كانت خلايا اللحمة المتوسطة وحدها ، والتي يسميها فريدل “المتسابقون الوحيدون” ، يمكن أن تكون السبب الرئيسي وراء هذا المرض. مرض منتشر يقتل الملايين.

 

يعتقد البعض أن التشويش يمكن أن يساعد في إخراج علم الأورام من هذا الازدحام المفاهيمي. قال فريدل إن انتقال الطور بين حالات التشويش والحالة غير المكدسة يمكن أن يؤدي إلى تسييل الخلايا السرطانية وتعبئتها كمجموعة ، دون مطالبتهم بالتحويل من نوع خلية إلى نوع مختلف تمامًا. قد يسمح هذا للخلايا المنتقلة أن تتعاون مع بعضها البعض ، مما قد يمنحها ميزة في استعمار موقع جديد.

 

مفتاح تطوير هذه الفكرة هو السماح لمجموعة من حالات الخلايا الوسيطة بين طرفين. قال مانينغ: “في الماضي ، كانت النظريات حول كيفية تصرف السرطان ميكانيكيًا إما نظريات للمواد الصلبة أو نظريات للسوائل”. “الآن نحن بحاجة إلى أن نأخذ في الاعتبار حقيقة أنهم على حافة الهاوية.”

 

تنبثق أيضًا تلميحات عن الحالات الوسيطة بين الظهارة واللحمة المتوسطة من أبحاث الفيزياء التي لا تحركها مفاهيم المرحلة الانتقالية. أنشأ هربرت ليفين ، عالم الفيزياء الحيوية بجامعة رايس ، وزميله الراحل إيشيل بن جاكوب من جامعة تل أبيب مؤخرًا نموذجًا للورم الخبيث بناءً على مفاهيم مستعارة من الديناميكيات اللاخطية.

 

يتنبأ بوجود مجموعات من الخلايا المنتشرة لها سمات كل من الخلايا الظهارية والخلايا اللحمية المتوسطة. لم يسبق لعلماء بيولوجيا السرطان أن يروا مثل هذه الحالات الخلوية الانتقالية ، لكن البعض يبحث عنها الآن في الدراسات المعملية. قال كينيث بينتا ، أخصائي سرطان البروستاتا بجامعة جونز هوبكنز: “لم نكن نفكر في الأمر” بمفردنا. “لقد تأثرنا بشكل مباشر بالفيزياء النظرية.”

 

المرحلة الانتقالية في علم الأحياء

 

نماذج التشويش الخلوي ، رغم كونها مفيدة ، تظل غير كاملة. على سبيل المثال ، اقتصرت نماذج مانينغ على بعدين حتى الآن ، على الرغم من أن الأورام ثلاثية الأبعاد. تعمل مانينغ حاليًا على نسخة ثلاثية الأبعاد من نموذجها للحركة الخلوية. وقالت إنه حتى الآن يبدو أنه يتنبأ بانتقال سائل إلى صلب مشابه لما حدث في النموذج ثنائي الأبعاد.

 

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخلايا ليست بسيطة مثل حبوب البن. يمكن للخلايا الموجودة في الورم أو الأنسجة أن تغير خصائصها الميكانيكية بطرق معقدة في كثير من الأحيان ، وذلك باستخدام البرامج الجينية وحلقات التغذية الراجعة الأخرى ، وإذا كان التشويش سيوفر أساسًا مفاهيميًا قويًا لجوانب السرطان ، فستحتاج إلى مراعاة هذه القدرة. قالت فاليري ويفر ، مديرة مركز الهندسة الحيوية وتجديد الأنسجة في جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو: “الخلايا ليست سلبية”. “الخلايا تستجيب”.

 

قال ويفر أيضًا أن التنبؤات التي قدمتها نماذج التشويش تشبه ما يسميه علماء الأحياء بالبثق ، وهي عملية يتم من خلالها إخراج الخلايا الظهارية الميتة من الأنسجة المزدحمة – والتي تم مؤخرًا التورط في خلل وظيفي في أنواع معينة من السرطان. يعتقد مانينغ أن التشويش الخلوي يرجح أن يقدم تفسيرًا ميكانيكيًا شاملاً للعديد من سلوكيات الخلية المرتبطة بالسرطان ، بما في ذلك البثق.

 

قال ليفين إن نماذج الأنسجة المملوءة بالفضاء مثل تلك التي تستخدمها مانينغ ، والتي تنتج سلوك التشويش ، تواجه أيضًا مشكلة في حساب جميع تفاصيل كيفية تفاعل الخلايا مع جيرانها ومع بيئتهم. لقد اتبع نهجًا مختلفًا ، حيث قام بنمذجة بعض الاختلافات في الطرق التي يمكن أن تتفاعل بها الخلايا عندما تكون مزدحمة بخلايا أخرى. قال: “التشويش سيأخذك بعض المسافة” ، مضيفًا ، “أعتقد أننا سوف نتعثر إذا اقتصرنا على التفكير في هذه التحولات الفيزيائية.”

 

وأقرت مانينغ أن التشويش وحده لا يمكن أن يصف كل ما يحدث في السرطان ، ولكن على الأقل في أنواع معينة من السرطان ، قد يلعب دورًا مهمًا ، على حد قولها. وقالت: “الرسالة التي لا نحاول نشرها هي أن الميكانيكا هي اللعبة الوحيدة في المدينة”. “في بعض الحالات ، قد نقوم بعمل أفضل من الواسمات البيوكيميائية التقليدية [في تحديد ما إذا كان سرطان معين خطيرًا] ؛ في بعض الحالات قد لا نفعل ذلك. ولكن بالنسبة لشيء مثل السرطان ، نريد أن يكون لدينا كل الأيدي على سطح السفينة “.

 

مع وضع هذا في الاعتبار ، اقترح الفيزيائيون طرقًا جديدة أخرى لفهم السرطان. نشر عدد من الفيزيائيين ، بما في ذلك ريكارد سولي من جامعة بومبيو فابرا في برشلونة ، وجاك توسزينسكي من جامعة ألبرتا ، وسلفاتور توركواتو من جامعة برينستون ، أوراقًا نظرية تقترح طرقًا يمكن أن تساعد بها التحولات الطورية في شرح جوانب السرطان ، وكيف يمكن للتجربة التجريبية اختبار مثل هذه التنبؤات.

 

ومع ذلك ، يشعر آخرون أن انتقالات الطور قد لا تكون الأداة الصحيحة. يحذر روبرت أوستن ، الفيزيائي البيولوجي في جامعة برينستون ، من أن التحولات الطورية يمكن أن تكون معقدة بشكل مدهش. حتى بالنسبة للحالة التي تبدو بدائية مثل المياه المتجمدة ، لا يزال يتعين على الفيزيائيين حساب وقت حدوث الانتقال بالضبط ، كما يلاحظ – والسرطان أكثر تعقيدًا بكثير من الماء.

 

ومن وجهة نظر عملية ، فإن جميع الأوراق النظرية في العالم لن تحدث فرقًا إذا لم يتمكن الفيزيائيون من جذب علماء الأحياء والأطباء المهتمين بأفكارهم. قال فريدبرج إن التشويش موضوع ساخن في الفيزياء ، لكن معظم علماء الأحياء لم يسمعوا به بعد. يمكن للمجتمعين التحدث مع بعضهما البعض في ورش عمل الفيزياء والسرطان خلال الاجتماعات التي تستضيفها الجمعية الفيزيائية الأمريكية ، والجمعية الأمريكية لأبحاث السرطان أو المعهد الوطني للسرطان. لكن الفجوات اللغوية والثقافية لا تزال قائمة. قال كاس: “يمكنني أن أتوصل إلى بعض المخططات الطورية ، لكن في النهاية عليك أن تترجمها إلى لغة ذات صلة بأطباء الأورام”.

 

قال فريدبرج إن هذه الفجوات ستضيق إذا استمرت نظرية التشويش والانتقال الطوري في تفسير ما يراه الباحثون في الخلايا والأنسجة بنجاح. “إذا كان هناك دليل متزايد حقًا على أن الطريقة التي تتحرك بها الخلايا بشكل جماعي تدور حول التشويش ، فهذه مجرد مسألة وقت حتى يصل ذلك إلى الأدبيات البيولوجية.”

 

وهذا ، كما قال فريدل ، سيمنح علماء الأحياء أداة مفاهيمية جديدة وقوية. “التحدي ، ولكن أيضًا السحر ، يأتي من تحديد كيفية اختطاف البيولوجيا الحية للمبدأ الفيزيائي وإحيائه وإعادة اختراعه باستخدام الاستراتيجيات الجزيئية للخلايا.”

 

المصدر كوانتا

تنبيه هام، المنشور يعبر عن رأي الكاتب ويتحمل مسؤوليته، دون ادنى مسؤولية علي الجريدة

تنبيه

احصل على تحديثات في الوقت الفعلي مباشرة على جهازك ، اشترك الآن.

معلومة تهمك

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

%d مدونون معجبون بهذه: