In de materiaalfysica is het van cruciaal belang om te begrijpen hoe systemen interageren tussen de interfaces die ze scheiden. Maar kunnen fysieke modellen soortgelijke concepten in levende systemen verduidelijken, zoals cellen? Natuurkundigen aan de Universiteit van Genève (UNIGE), in samenwerking met de Universiteit van Zürich (UZH), gebruikte het raamwerk van wanordelijke elastische systemen om het proces van wondgenezing te bestuderen - de proliferatie van celfronten die uiteindelijk samenkomen om een ​​laesie te sluiten. Hun studie identificeerde de schalen van de dominante interacties tussen cellen die dit proces bepalen. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , zal een betere analyse van het gedrag van de celfront mogelijk maken, in termen van zowel wondgenezing als tumorontwikkeling. In de toekomst, deze benadering kan gepersonaliseerde diagnostiek bieden om kankers te classificeren en hun behandeling beter te richten, en nieuwe farmacologische doelen voor transplantatie te identificeren.

Door te focussen op macroscopische eigenschappen van grote datasets, statistische fysica maakt het mogelijk om een ​​overzicht te krijgen van systeemgedrag onafhankelijk van het specifieke microscopische karakter ervan. Toegepast op biologische elementen, zoals de celfronten die grenzen aan een wond, deze benadering maakt het mogelijk om de verschillende interacties te identificeren die een bepalende rol spelen tijdens weefselgroei, differentiatie, en genezing, maar vooral om hun hiërarchie op de verschillende waargenomen schalen te benadrukken. Patrycja Paruch, professor in de afdeling Quantum Matter Physics aan de UNIGE Faculty of Science, legt uit:"Voor de invasie van kankertumoren, of in het geval van een wond, celfront proliferatie is cruciaal, maar de snelheid en morfologie van het front is zeer variabel. Echter, we geloven dat slechts een paar dominante interacties tijdens dit proces de dynamiek en de vorm zullen bepalen - glad of ruw, bijvoorbeeld van de celkolonierand. Experimentele observaties over meerdere lengteschalen om algemeen gedrag te extraheren, kunnen ons in staat stellen deze interacties in gezond weefsel te identificeren en te diagnosticeren op welk niveau pathologische veranderingen kunnen optreden, om ze te helpen bestrijden. Dit is waar statistische fysica om de hoek komt kijken."

De vele schalen van wondgenezing

In dit multidisciplinaire onderzoek de UNIGE-natuurkundigen werkten samen met het team van professor Steven Brown van de UZH. Met behulp van rattenepitheelcellen, ze vestigden platte kolonies (2D) waarin de cellen groeien rond een siliconen inzetstuk, vervolgens verwijderd om een ​​open laesie na te bootsen. De celfronten vermenigvuldigen zich vervolgens om de opening te vullen en het weefsel te genezen. "We hebben vijf mogelijke scenario's gereproduceerd door de cellen op verschillende manieren te 'handicappen', om te zien welke impact dit heeft op de wondgenezing, d.w.z. op de snelheid en ruwheid van het celfront, " legt Guillaume Rapin uit, een onderzoeker in het team van Patrycja Paruch. Het idee is om te zien wat er gebeurt in normaal gezond weefsel, of wanneer processen zoals celdeling en communicatie tussen naburige cellen worden geremd, wanneer de celmobiliteit verminderd is of wanneer cellen permanent farmacologisch gestimuleerd worden. "We hebben ongeveer 80 uur lang elke vier uur zo'n 300 foto's gemaakt, waardoor we de prolifererende celfronten op zeer verschillende schalen konden observeren, " vervolgt Guillaume Rapin. "Door krachtige rekentechnieken toe te passen, we konden onze experimentele waarnemingen vergelijken met de resultaten van numerieke simulaties, " voegt Nirvana Caballero toe, een andere onderzoeker in het team van Patrycja Paruch.

Uitzoomen voor meer effect

De wetenschappers observeerden twee verschillende ruwheidsregimes:op minder dan 15 micrometer, kleiner dan een enkele cel, en tussen 80 en 200 micrometer, als er meerdere cellen bij betrokken zijn. "We hebben geanalyseerd hoe de ruwheidsexponent in de loop van de tijd evolueert om zijn natuurlijke dynamische evenwicht te bereiken, afhankelijk van de farmacochemische omstandigheden die we aan de cellen hebben opgelegd, en hoe deze ruwheid toeneemt afhankelijk van de schaal waarop we kijken, " benadrukt Nirvana Caballero. "In een systeem met een enkele dominante interactie, we verwachten op alle schalen dezelfde ruwheidsexponent te zien. Hier, we zien een veranderende ruwheid als we kijken naar de schaal van één cel of van 10 cellen."

De teams van Genève en Zürich onthulden slechts kleine variaties in de ruwheidsexponent onder 15 micrometer, ongeacht de voorwaarden die aan de celfronten worden gesteld. Anderzijds, ze ontdekten dat tussen 80 en 150 micrometer, de ruwheid wordt veranderd door alle farmacologische remmers, de ruwheidsexponent aanzienlijk verminderen. Bovendien, ze merkten op dat de proliferatiesnelheid sterk varieerde tussen de verschillende farmacochemische omstandigheden, vertragen wanneer celdeling en motiliteit werden geremd, en versnellen wanneer cellen werden gestimuleerd. "Meer verrassend, de snelste proliferatiesnelheid werd bereikt wanneer de communicatie tussen de spleetovergangen tussen cellen werd geblokkeerd, ", zegt Guillaume Rapin. Deze observatie suggereert dat dergelijke communicatie in toekomstige therapieën kan worden gericht, ofwel om de genezing van brandwonden of wonden te bevorderen, of om de invasie van kankertumoren te vertragen.

Deze resultaten tonen aan dat interacties op middelgrote schaal een cruciale rol spelen bij het bepalen van de gezonde proliferatie van een celfront. "We weten nu op welke schaal biologen moeten zoeken naar problematisch gedrag van celfronten, die kunnen leiden tot de ontwikkeling van tumoren, ", zegt Nirvana Caballero. Nu kunnen wetenschappers zich concentreren op deze belangrijke lengteschalen om de fronten van tumorcellen te onderzoeken, en hun pathologische interacties direct vergelijken met die van gezonde cellen.