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物理工具帮助跟踪癌细胞的多样性

物理工具帮助跟踪癌细胞的多样性

癌细胞是一个狡猾的对手。这种疾病比许多潜在的治疗方法都要高明的一个原因是癌细胞群的多样性。研究人员发现这一群体很难描述和量化。

科内尔领导的一个研究小组采用了一种新颖的、跨学科的方法来分析乳腺肿瘤细胞的行为,他们采用了一种在物理学和经济学中更常用的统计建模技术。该团队能够证明,癌细胞的多样性或异质性是如何受到其化学环境的影响的——即,与特定蛋白质的相互作用,从而导致肿瘤的生长。

由吴明明(音译)领导的研究小组与CNF合作,制造了这种包含四个相同的三通道装置的微流控芯片。研究小组将乳腺肿瘤细胞和趋化蛋白CCL19放入每个设备中,然后使用开源软件分析癌细胞行为。

研究人员的论文《淋巴趋化因子CCL19促进三维微环境中乳腺肿瘤细胞运动的异质性》发表在2月14日的《整合生物学》上。

“治疗癌症非常困难。该研究的资深作者、农业与生命科学学院生物与环境工程教授吴明明说。“虽然免疫细胞是圆形的,有点类似,移动方式也相同,但癌细胞形状不同,移动速度也不同。我们知道行动迅速的人是非常致命的。你如何量化这种异质性?”

另一个挑战是,只有少数癌细胞移动速度快,损害最大,而且很难找到。

追踪这些稀有细胞的努力,类似于艺术与科学学院(College of Arts and Sciences)物理学教授安德斯·莱德(Anders Ryd)在实验室中寻找难以捉摸的粒子。在一次喝咖啡的谈话中,Ryd和Wu意识到,癌细胞的研究可以纳入已经帮助粒子物理学家理解罕见的能量现象的精密统计工具,比如备受期待的希格斯玻色子。

“我们在粒子物理学中所做的实际上是统计数据分析,试图找出描述我们数据的功能形式,”Ryd说。“在这种情况下,我们的兴趣是观察离群值,进一步迁移的细胞,并对其进行表征。我们在粒子物理学中使用的很多工具都非常适合这种分析。”

吴的生物流体实验室与康奈尔纳米科技设施(CNF)合作,制造了一个有三个平行通道的微流体装置,每个通道的宽度大约相当于人类头发的宽度。研究小组将乳腺肿瘤细胞和趋化因子蛋白CCL19一起引入该装置,CCL19由淋巴结分泌,在恶性肿瘤细胞中高度表达。

为了模拟癌细胞的轨迹,研究小组使用了Root软件,这是一款用于高能物理和某些经济学应用的统计分析的开源软件。

研究人员发现,趋化因子的存在导致目标癌细胞移动更快,异质性增加。

他说:“这与我们整个社会试图让人口更加多样化的做法类似,因为我们知道,如果人口多样化,就会更加强健、更加健康。”“我认为癌症也是如此。他们使他们的人口更加多样化,更加坚不可摧。”

一种抑制CCL19受体的治疗可能潜在地降低肿瘤细胞的侵袭性,尽管这也可能导致癌细胞采用新的,甚至更隐秘的策略来生存,Wu说。

通过分析这些细胞对化学梯度、温度、光强和机械力等环境因素的反应,吴的研究小组希望阐明生物学的基本原理,这些原理不像物理学的基本定律那样是一成不变的。

她的团队可能也会借鉴一些技术。

“物理科学已经有很多工具,因为物理科学一直是一个非常定量的领域,”吴说。“直到最近,定量生物学才开始成形。所以我觉得这个集成是强大的,因为你不需要重新发明轮子来做这个建模。”

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