Veranderingen in de mechanische eigenschappen van cellen behoren tot de eerste tekenen van de ontwikkeling van kanker. Tot nu toe was een van de grootste obstakels voor het gebruik van mechanismen bij de diagnose van kanker het ontbreken van een gestandaardiseerde meetprocedure die de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van de resultaten zou garanderen. Dankzij de Europese wetenschappelijke samenwerking waarbij het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau betrokken is, is dit obstakel nu weggenomen.

Wanneer gezonde cellen transformeren in kankercellen, veranderen hun mechanische eigenschappen. Deze observatie zou kunnen worden gebruikt om kanker bij patiënten snel op te sporen, maar alleen als de mechanische metingen van de genomen monsters echt betrouwbaar waren. Een belangrijke stap in de richting van dit doel is het voorstel om metingen te standaardiseren, dat zojuist is gepresenteerd in Nanoscale .

Het gepubliceerde artikel is het resultaat van een jarenlange samenwerking tussen wetenschappers van de Europese universiteiten van Amsterdam, Barcelona, ​​Bremen, Lille, Marseille, Milaan, Münster en het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau.

In 1999 werd bij IFJ PAN aangetoond dat kankercellen zich in vergelijking met gezonde cellen kenmerken door een verhoogde vervormbaarheid van het cytoskelet, waardoor ze gemakkelijker door de nauwe bloedvaten van het bloed- en/of lymfestelsel kunnen dringen en metastasen kunnen vormen. Tegenwoordig weten we dat borst-, darm-, blaas- of prostaatkankercellen al in de vroege stadia van tumortransformatie zachter worden, terwijl cellen van anderen, zoals leukemieën, stijver worden.

Hoewel de verandering in de mechanische eigenschappen van de cellen ook veroorzaakt kan worden door andere factoren, zoals ontstekingen, maakt de aanwezigheid ervan duidelijk verder en nauwkeuriger onderzoek bij de patiënt onvermijdelijk.

"Als we een reproduceerbare meetprocedure tot onze beschikking hadden, met behulp van geschikte laboratoriumapparatuur, zouden we snel afwijkingen in de mechanische eigenschappen van cellen kunnen detecteren, wat sterk wijst op de mogelijkheid dat zich kankerachtige veranderingen in het lichaam van de patiënt ontwikkelen", zegt prof. Malgorzata. Lekka (IFJ PAN) en merkt op dat de term "snel" hier een dubbele betekenis heeft.

“Aan de ene kant kunnen we proberen kanker te diagnosticeren in de beginfase van zijn ontwikkeling, waarin andere tests meestal nog geen significante cellulaire veranderingen laten zien. Aan de andere kant is het eenvoudigweg zo dat de meetprocedure zelf niet erg belastend is – er zijn geen grote hoeveelheden biologisch materiaal voor nodig en het kost ook niet veel tijd."

Veranderingen in de biomechanische eigenschappen van cellen kunnen worden gemeten met behulp van atomaire krachtmicroscopen (AFM). Apparaten van dit type worden over het algemeen gebruikt om de microwereld in beeld te brengen, zelfs op schalen die de detectie van afzonderlijke atomen mogelijk maken. Het belangrijke punt hier is dat bij AFM's een nauwkeurig gedefinieerde kracht kan worden uitgeoefend op het onderzochte substraat door middel van hun sondes.

Als het substraat een cel is, maakt de mechanische respons ervan het mogelijk om de elasticiteitscoëfficiënt (Young's modulus) te bepalen en op basis hiervan conclusies te trekken over de elasticiteit, niet alleen van structuren op het celmembraan, maar zelfs in de omgeving van de cel kern.

Atoomkrachtmicroscopen behoren niet tot de duurste laboratoriuminstrumenten, maar ze kunnen niet goedkoop genoemd worden. Gelukkig zijn er eenvoudigere versies:apparaten die indenters worden genoemd en die geen beeldvormende functie hebben, maar wel voldoende zijn om de mechanische eigenschappen van cellen te bestuderen.

"De belangrijkste factor die de ontwikkeling van onze methode voor het diagnosticeren van kanker tot nu toe heeft beperkt, zijn daarom niet de kosten van de apparatuur geweest, maar het ontbreken van een geschikte meetprocedure. Om het bot te zeggen:de resultaten verkregen in verschillende laboratoria, op apparaten van verschillende fabrikanten waren op verschillend geprepareerde monsters niet voldoende reproduceerbaar om te worden gebruikt als basis voor verantwoorde beslissingen over de richting van verdere medische actie”, legt prof. Lekka uit.

In hun laatste artikel toont de internationale groep onderzoekers aan dat door het volgen van een zorgvuldig ontwikkelde procedure altijd dezelfde Young-moduluswaarde zal worden verkregen voor dezelfde cellen, ongeacht waar de meting wordt uitgevoerd of de fabrikant van het gebruikte apparaat.

Het protocol omvat onder meer de monstervoorbereiding, het kalibreren van de meetapparatuur en het analyseren van de resultaten. Om de betrouwbaarheid van de metingen te vergroten, was het van cruciaal belang om rekening te houden met de invloed van het stijve substraat waarop de tumorcellen werden afgezet.

Veranderingen in de mechanische eigenschappen van cellen treden eerder op dan optische veranderingen bij kanker, waardoor de voorgestelde methode het mogelijk maakt de ziekte verder van tevoren op te sporen dan voorheen. De waarde van deze vooruitgang zal waarschijnlijk variëren tussen verschillende soorten kanker, maar dit zal alleen door toekomstige studies worden bepaald. Het is echter al met zekerheid bekend dat de nieuwe diagnostische methode gevoeliger is dan de optische technieken die momenteel worden gebruikt bij de diagnose van kanker.

Door het gebruik van gestandaardiseerde meetprocedures, samen met automatische gegevensregistratie en -analyse, kan de test in een kortere tijd worden uitgevoerd. In plaats van enkele weken op de uitslag te wachten, kan de patiënt deze al na een paar dagen ontvangen.

In de nabije toekomst zijn de onderzoekers van plan zich te concentreren op het verder terugdringen van het aantal vals-positieve diagnoses en het testen van de procedure in onderzoeken naar geselecteerde ziekte-entiteiten. Voordat de techniek voor de mechanische detectie van kankerlaesies de ziekenhuizen bereikt, zal er nog een klinische proeffase nodig zijn, die zal worden uitgevoerd in samenwerking met geïnteresseerde medische eenheden.

Meer informatie: Sandra Pérez-Domínguez et al, Betrouwbare, gestandaardiseerde metingen voor celmechanische eigenschappen, Nanoschaal (2023). DOI:10.1039/D3NR02034G

Journaalinformatie: Nanoschaal

Aangeboden door het Henryk Niewodniczanski Instituut voor Kernfysica Poolse Academie van Wetenschappen