מדענים מאוניברסידד קרלוס השלישי דה מדריד (UC3M) ומאוניברסיטת ג'ונס הופקינס (JHU), בארה"ב, ניתחו את הצמיחה של גידולי שד מנקודת מבט ביו-מכנית ויצרו מודל חישובי המדמה את תהליך הפלישה של תאים סרטניים, בהתאם בין יתר הפרמטרים המאפיינים של צומת הרקמה והתאים שמסביב. מודל מסוג זה יסייע לחזות את התפתחות הגידול בחולים על פי תכונותיו המכניות (נוקשות, צפיפות וכו') של המיקרו-סביבה שמסביב, אשר ניתן לקבוע באמצעות ביופסיה או טכניקות הדמיה.
תהליך הגדילה של גידול מוצק כרוך בהתרחבותו דרך הרקמה הסובבת, המורכבת לרוב ממטריצה פיברילרית (לדוגמה, קולגן). התרחבותו תלויה בגורמים רבים כמו המספר הכולל של תאי הגידול, נפחם וקשיחותם, הגישה שלהם לחומרי הזנה והתכונות המכניות של הרקמה שבה הם מתפתחים. בתמיכת מודלים ניסיוניים במבחנה, חוקרי UC3M ו-JHU אלה פיתחו מודל המאפשר לדמות את האבולוציה של צמיחת הגידול במחשב, תוך התחשבות בגורמים אלו.
במודל זה דימינו כיצד תאי גידול בשד פולשים לרקמה שמסביב, וכיצד הם מתרבים פחות או יותר, תלוי עד כמה הרקמה הסובבת נוקשה ונקבובי או עד כמה חזקים חיבורי התאים עם תאים אחרים".
דניאל גרסיה גונזלס, פרופסור חבר במחלקה למכניקת רצף וניתוח מבנים של UC3M וראש פרויקט ERC 4D-BIOMAP
לשם כך, החוקרים עבדו עם כדוריות כדי לדמות כיצד תאים מתנהגים בגידול אמיתי בתנאים מכניים שונים. כדוריות אלו מורכבות מקבוצות של תאי גידול המשובצים במטריצה פיברילרית אשר ניתן לשנות את המאפיינים שלה. "אלה מערכות חזקות מאוד שנמצאות בשימוש יותר ויותר כדי לחקור התנהגות גידולים ולחקור טיפולים אפשריים", מסביר אחר מהחוקרים, Arrate Muñoz-Barrutia, פרופסור במחלקה הביו-הנדסה של UC3M.
הודות לכדוריות אלו, חוקרים הצליחו לשנות היבטים ביולוגיים או מכניים מסוימים של גידולים אלו במעבדה ולהעריך כיצד משתנים אלו משפיעים על שגשוג והגירה של תאים. לאחר מכן הם הפכו את התצפיות הללו למשוואות מתמטיות המיושמות במודל חישובי. כך הם הצליחו לבדוק במקביל (בסימולטור המחשב ובמודל הניסוי עם הכדוריות במעבדה) את המשתנים המשפיעים על גדילת הגידולים הללו. "המערכת הכדורית מרובת התאים החדשה שלנו אפשרה לנו לשלוט ולוונן את התכונות הביומכניות של המערכת באמצעות צפיפות קולגן וביטוי E-cadherin, אשר ידועים כבעלי תפקיד בהתקדמות סרטן השד. זה היה מאוד מרגש לעבוד עם הצוות הזה לראות הסיפור מתחבר מנקודת מבט ניסיונית וחישובית כאחד", אומר אחר ממחבר המחקר, דניס וירץ, מהמחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית של JHU.
"בעוד שבניסוי, ריבוי ופלישה נמדדים לעתים קרובות כשני פרמטרים בלתי תלויים, ראינו צימוד חזק של תהליכים אלה. למרות שלא ניתן היה לבודד אותם באמצעות פלטי ניסוי מסורתיים, המודל החישובי אפשר לנו ללמוד תהליכים אלה באופן עצמאי ולאסוף תובנות מה- מאפיינים ביומכניים של המערכת שלנו", מוסיפה עוד חוקרים של צוות JHU, Ashleigh Crawford.
יישומים עתידיים של מחקר זה מבטיחים, לדברי החוקרים. "אם אנחנו יודעים אילו פרמטרים מכניים קובעים אם הגידול גדל יותר או פחות, אז נוכל להשתמש בנתונים האלה כדי לשפר את הטיפול או לפתח תרופות חדשות בטווח הבינוני או הארוך", אומר דניאל גרסיה גונזלס. "אנו חושבים שהמחקרים הללו פותחים פתח לפיתוח טכנולוגיות המאפשרות לנו לאפיין את המכניקה של הגידול, שיכולה להוסיף מידע רלוונטי לבחירת הטיפול בסרטן", מוסיפה Arrate Muñoz-Barrutia.
צוות המדענים גם מדגיש את החשיבות של מחקר רב-תחומי במקרה זה, שכן תרומות נעשו מתחומים חישוביים ומתמטיים ועד לתחומים ביולוגיים גרידא. "ההכשרה שלי כמהנדסת ביו-רפואית, שלומדת ב-UC3M, אפשרה לי לשתף פעולה בכל חלקי המחקר הזה וליצור גשרים של תקשורת בין דיסציפלינות המשתמשות בטרמינולוגיות שונות", אומרת אחרת ממחברת המחקר, קלרה גומז קרוז, דוקטורטת סטודנט במחלקה למכניקת רצף וניתוח מבנים של UC3M.
מחקר זה הוא חלק מ-4D-BIOMAP (גירוי ביומכני המבוסס על פולימר מגנו-פעיל מודפס ב-4D), פרויקט הממומן על ידי מועצת המחקר האירופית באמצעות ERC Starting Grant מתוכנית המסגרת למחקר וחדשנות של האיחוד האירופי, Horizon 2020 (GA 947723 ). הוא גם קיבל מימון מהמכון הלאומי לבריאות של ארה"ב ומהמכון הלאומי לסרטן.
