La física detrás del crecimiento tumoral
Una serie temporal muestra células que proliferan en un entorno controlado. Las nuevas celdas están marcadas con a, b, c, d. Crédito: Escuela de Enfermería de la Universidad de Duke
Investigadores de la Universidad de Duke han desarrollado una teoría predictiva del crecimiento tumoral que aborda el tema desde un nuevo punto de vista. En lugar de centrarse en los mecanismos biológicos del crecimiento celular, los investigadores utilizan la termodinámica y el espacio físico en el que se expande el tumor para predecir su evolución de una sola célula a una masa cancerosa compleja.
Los resultados aparecieron el 15 de enero en la revista Biosystems.
«Cuando los científicos piensan en el cáncer, lo primero que les viene a la mente es la biología, y tienden a pasar por alto la realidad física de su patrón de crecimiento. ”, dijo Ehsan Samei, profesor de radiología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Duke. «También hay cuestiones sobre cómo un tumor interactúa con su entorno y proporciona nutrientes a sus células, que es un aspecto de la historia en el que hasta ahora no se ha centrado mucho».
«Nuestra teoría utiliza conceptos fundamentales de cómo los sistemas naturales crecen y se reorganizan para obtener un mayor acceso a los sistemas que fluyen», dijo Adrian Bejan, profesor distinguido de ingeniería mecánica JA Jones en Duke. «No solo explica cómo debe ocurrir este crecimiento, sino también por qué debe ocurrir».
El nuevo trabajo se basa en la ley constructiva, que Bejan escribió en 1996, que establece que para que un sistema sobreviva , debe evolucionar para aumentar su acceso al flujo. Por ejemplo, el sistema vascular humano ha evolucionado para proporcionar flujo de sangre a través de una red de unas pocas arterias grandes y muchos capilares pequeños. Los sistemas fluviales, las ramas de los árboles y las redes modernas de autopistas y carreteras reflejan las mismas fuerzas en acción.
En el artículo, Bejan, Samei y el estudiante de doctorado Thomas Sauer demuestran cómo el crecimiento y la reorganización interna de un tumor a medida que crece son directamente relacionado con su necesidad de crear un mayor acceso a los nutrientes que fluyen, así como conductos para eliminar los desechos. Utilizan estos conocimientos para predecir el crecimiento de los grupos de células en función de la estructura y también para predecir los tamaños críticos de los grupos que marcan las transiciones de una configuración distinta a la siguiente.
Para validar su teoría, el Los investigadores compararon sus predicciones con las medidas de varios estudios independientes de patrones de crecimiento de tumores cancerosos y no cancerosos. Los resultados muestran que su trabajo proporciona una perspectiva unificadora sobre el crecimiento de los grupos de células en las escalas más pequeñas, así como la dinámica a gran escala de las células en proliferación, tal como se describe en los modelos fenomenológicos.
«A medida que crece el tumor, los sistemas de flujo se vuelven lo suficientemente grandes como para crear corrientes visibles a través de la vascularización del tumor», dijo Bejan. «Nuestra teoría revela la física detrás de este tipo de transiciones dramáticas y predice cuándo deberían ocurrir».
Durante los últimos 15 años, Samei ha estado trabajando en modelos computacionales extremadamente detallados de pacientes para probar nuevas intervenciones y procedimientos médicos a través de los llamados ensayos clínicos virtuales. Estos ensayos emulan al paciente y los procedimientos para permitir evaluaciones médicas que de otro modo serían prohibitivamente costosas o poco éticas. Hasta hace poco tiempo, los tumores representados en estos pacientes virtuales han sido estáticos. Pero con la nueva teoría del crecimiento tumoral, Samei está creando con éxito modelos dinámicos de tumores en crecimiento que pueden abrir nuevos caminos para la investigación del cáncer.
Samei se encuentra actualmente en el proceso de generar imágenes de crecimiento tumoral a partir de sus nuevos modelos, mezclándolos con imágenes tomadas de pacientes reales y probando a los radiólogos para ver si pueden notar la diferencia. Hasta ahora, los resultados han sido prometedores.
«Si los tumores no crecen, el modelo no es realista», dijo Samei. «Queremos que nuestra plataforma sea capaz de modelar con precisión el crecimiento del tumor para que podamos responder a la pregunta muy real de con qué frecuencia se deben tomar imágenes de un paciente para determinar si su cáncer está creciendo o disminuyendo».
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Los modelos de cáncer creados por ingenieros mecánicos ofrecen nuevos conocimientos sobre el crecimiento tumoral. Más información: TJ Sauer et al. Teoría del crecimiento de la matriz celular y extracelular y sus implicaciones para la tumorigénesis, Biosystems (2021). DOI: 10.1016/j.biosystems.2020.104331 Proporcionado por la Facultad de enfermería de la Universidad de Duke /2021-01-physics-tumor-growth.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.