رشد تومورهای سرطانی از نگاه فیزیکدانها
به گزارش اطلاعات آنلاین، هنگامی که دانشمندان به سرطان فکر می کنند، نخستین چیزی که به ذهن آنها خطور می کند زیست شناسی است. آنها واقعیت فیزیکی که در ورای الگوی رشد و گسترش سرطان وجود دارد را نادیده می...
به گزارش اطلاعات آنلاین، هنگامی که دانشمندان به سرطان فکر می کنند، نخستین چیزی که به ذهن آنها خطور می کند زیست شناسی است. آنها واقعیت فیزیکی که در ورای الگوی رشد و گسترش سرطان وجود دارد را نادیده می گیرند، در حالی که جنبه های دیگری از جمله این که چگونه یک تومور با محیط اطرافش تعامل برقرار کرده و مواد مغذی را به سلول هایش می رساند وجود دارند که تا کنون به میزان کمی مورد توجه قرار گرفته اند.
پژوهشگران «دانشگاه دوک» در ایالات متحده یک تئوری پیش گویانه برای رشد تومور ارائه کرده اند که از نقطه نظر متفاوتی به آن نگاه می کند. آنها به جای این که تمامی توجه خود را روی مکانیسم های بیولوژیکی رشد سلولی متمرکز کنند، از ترمودینامیک و فضای فیزیکی که تومور در آن رشد می شود کمک می گیرند تا تغییر و تحولات تومور را از زمانی که تنها یک سلول است تا مرحله ای که تبدیل به یک توده سرطانی می شود پیش بینی کنند.
در این تئوری از مفاهیمی بنیادی استفاده می شود که درباره چگونگی رشد اجزای زنده طبیعی و توانایی آنها در سازماندهی خودشان است تا بتوانند دسترسی بیشتری به سیستم های زیستی در جریان پیدا کنند. در این نظریه نه تنها توضیح داده می شود رشد تومور چگونه اتفاق می افتد، بلکه علت این دگرگونی نیز مورد بحث قرار می گیرد.
این مطالعه بر اساس قانون «کانستراکتال»(constructal law) است که «آدریان بیجان»، استاد مکانیک دانشگاه دوک آن را در سال ۱۹۹۶ نوشت. این قانون در واقع نظریه ای است از تولید طرح (الگوها، هندسه، شکل، وضعیت و غیره) در طبیعت. طبق این قانون برای این که یک سیستم زنده به بقای خود ادامه دهد، باید طوری تکامل پیدا کند که دسترسی اش به جریان افزایش یابد. برای مثال، سیستم رگ های انسان طوری تکامل یافته است که جریان خون را از درون شبکه ای از چند شریان بزرگ و تعداد زیادی مویرگ به تمامی بدن برساند. سیستم های رودخانه ای، شاخه های درختان و شبکه های بزرگراهی و جاده ای امروزی، همه انعکاسی از همین قانون هستند.
دانشمندان در این مطالعه نشان می دهند چگونه رشد یک تومور و سامان دهی مجدد درونی آن با نیاز تومور به دسترسی بیشتر به مواد مغذی جاری و نیز مجراهایی برای دفع زایدات ارتباط مستقیم دارد. آنها با استفاده از این ارتباطات، رشد خوشه های سلولی را به عنوان یک عملکرد ساختاری پیش بینی می کنند و نیز اندازه خوشه های سلولی مهم که نشانه گذار از یک وضعیت به وضعیت دیگر در تومور است را از پیش برآورد می کنند.
آنها به منظور اعتبار بخشیدن به نظریه خود، پیش بینی هایشان را با محاسبات به دست آمده از چند مطالعه جداگانه درباره الگوهای رشد تومورهای سرطانی و غیر سرطانی مقایسه کردند. نتیجه این مقایسه نشان داد که رویکرد آنها یک دیدگاه منسجم از رشد خوشه های سلولی چه در مقیاس کوچک و چه در مقیاس بزرگ تکثیر سلولی ارائه می دهد.
همچنان که تومور رشد می کند، سیستم های جاری به قدر کافی بزرگ می شوند که بتوانند جریان های قابل مشاهده ای را طی مجرارسانی به تومور ایجاد کنند. این پژوهشگران در طول ۱۵ سال اخیر روی مدل های رایانشی بیماران کار کرده اند تا راه های درمانی و اقدامات پزشکی جدید را به دنبال کارآزمایی های بالینی مجازی امتحان کنند. در این کارآزمایی ها، از بیمار و روش های به کار رفته واقعی تقلید می شود تا ارزیابی های پزشکی ارائه شوند. در صورت نبود این فضاسازی مجازی، اِعمال این روش ها و انجام کارآزمایی ها روی افراد واقعی و در شرایط واقعی هم پرهزینه می شد و هم غیر اخلاقی. تا چندی پیش، تومورهای رشد کرده در این بیماران مجازی تغییری نکرده بودند، اما با به کار گیری تئوری جدید پژوهشگران اکنون می توانند مدل هایی از تومورهای در حال رشد را بازسازی کنند که بدون شک در پژوهش های مرتبط با سرطان ها کمک رسان خواهند بود.
آنها اکنون طبق مدل های مجازی جدیدی که ساخته اند در حال خلق تصاویری از رشد تومور هستند و این تصاویر مجازی را با عکس هایی که از بیماران واقعی گرفته اند ترکیب می کنند. سپس از رادیولوژیست ها می خواهند به تصاویر نگاه کنند تا ببینند آیا می توانند تفاوت آنها را تشخیص دهند. تا به این لحظه نتیجه کار آنها امیدوار کننده بوده است.
اگر تومورهای مدل سازی شده رشد نکنند یعنی مدل واقع گرایانه نیست. هدف این است که رشد تومور در نهایت دقت مدل سازی شود تا طبق آن، دانشمندان بتوانند به یک پرسش بسیار واقعی و ملموس پاسخ دهند: یک بیمار سرطانی هر چند وقت یک بار نیاز به عکس برداری دارد تا معلوم شود سرطان او در حال پیشروی است یا عقب نشینی؟
رشد توده تومور (آمبولی) در انتشار و متاستاز انواع خاصی از سلول های سرطانی نقش مهمی دارد. متاستاز به معنای گسترش و جا به جایی سلول های سرطانی در بافت های بدن است. با توجه به این که سلول های سرطانی در بدن حرکت می کنند، می توان گفت که تابع نیروهای مکانیکی هستند. از این رو، یک تیم مهندسی از «مؤسسه پلی تکنیک رِنسِلیر» برای پی بردن به این که مهاجرت سلول های سرطانی چقدر در رشد آنها تأثیر دارد، شروع به ساخت مدل های تازه ای کرده اند که برگرفته از محیط مکانیکی درون بدن ما است. بدین ترتیب تصویر روشن تری از چرایی و چگونگی به وجود آمدن تومورها به دست می آورند.
مدلی که این مهندسین در آزمایشگاه ساخته اند یک رگ لنفی است که برای مطالعه رشد آمبولی تومور مورد استفاده قرار گرفت. منظور از آمبولی تومور مجموعه سلول های تومور درون رگ ها است که در متاستاز و عود کردن آن نقش دارند.
در مدل هایی که پیش از این در آزمایشگاه برای تومورها ساخته شدند، از سلول های توموری کروی آزاد در محیط استفاده می شد. اما پژوهشگران با این مدل ها نمی توانند تعاملات مکانیکی که در واقعیت درون مرزهای فیزیکی یک رگ خونی لوله ای شکل رخ می دهند را مورد مطالعه قرار دهند. بنابراین، تیم مهندسی برای این که آن چه در بدن اتفاق می افتد را بهتر و دقیق تر تقلید کنند، یک رگ لنفی را با ایجاد مجراهایی در ژل مدل سازی کردند. آنها مجراها را درون دو نوع ژل نرم و سفت زیستی قرار دادند تا عواملی را که آمبولی تومور را در بافت سفت و ناسالم و بافت نرم و سالم محدود می کنند بازسازی کنند.
آنها به منظور بررسی رفتارهای مختلف رشد سلول های سرطانی، از توده های سرطانی سینه و روده استفاده کردند تا آمبولی را مدل سازی کنند. طبق مشاهده آنها، توموری که در ژل سفت قرار داشت هر دو توده سرطانی سینه و روده را درون مجرای استوانه ای با مانع مواجه می کرد. در نتیجه آمبولی ها به سرعت درون رگ رشد می کردند، چون از مواد مغذی دیواره رگ خود را تغذیه می کردند. در عوض، سلول های سرطانی در مدلی که درون محیطی نرم تر قرار داشت و نمایانگر بافت سالم سینه یا روده بود کندتر رشد می کردند. به بیانی ساده تر، اگر بافت تومورداری که رگ ها را احاطه کرده در اثر بیماری به طرزی غیر عادی سفت شده باشد، رشد تومور در این رگ ها سریع تر از زمانی صورت می گیرد که بافت اطراف نرم باشد.