Разработан новый метод отслеживания динамики образования метастаз раковыми клетками
Когда раковые клетки метастазируют, они деформируются, чтобы проникнуть в другие ткани по всему телу. На самом деле, чтобы распространиться по всему организму, метастатические раковые клетки должны изменить свой фенотип - свои физические характеристики. Это изменение позволяет неподвижным, эпителиальным клеткам, из которых состоят барьеры наших органов и кожи, превратиться в мезенхимальные клетки, или клетки, которые развиваются в соединительную ткань, кровеносные сосуды и лимфатическую ткань.
Исследователи заметили, что клетки, которые завершают этот переход, называемый переходом от эпителия к мезенхиме, или EMT, могут значительно увеличить вероятность метастазирования раковой опухоли.
В настоящее время ученые выявляют и идентифицируют эти клетки, наблюдая за ними в фиксированном состоянии на предметных стеклах микроскопа. Но стандартные исследования, рассматривающие клетки, иммобилизованные на предметных стеклах микроскопа, не могут выявить изменение их формы, так же, как коллекции бабочек, прикрепленные булавками, могут выявить их полет, пишут исследователи Мичиганского университета.
Ученые разработали метод оценки клеток, пока они свободно метаморфируют, используя метод, называемый магнитоповоротом клеток, а также машинное обучение. Их результаты опубликованы в журнале PLOS One.
"Если раковая клетка находится где-то в организме, то для того, чтобы переместиться в другую часть тела, она должна стать похожей на ракету, чтобы пробить ткань, чтобы попасть в кровоток, а затем снова проникнуть из кровеносной вены в новое место. Этот метастатический потенциал связан с подвижностью клеток, но подвижность клеток также зависит от формы клеток и динамики изменения их формы", - сказал Рауль Копельман, ведущий автор работы и заслуженный университетский профессор химии, физики, прикладной физики, биофизики, биомедицинской инженерии и химической биологии Ричард Смолли.
Чтобы иметь возможность наблюдать за динамикой клеток, исследователям U-M необходимо, чтобы клетки свободно плавали, а не были закреплены на предметном стекле. Поэтому они использовали ранее разработанный ими метод - магниторотацию клеток - в качестве основы для изучения динамики этих клеток.
Используя этот метод и две известные линии клеток рака молочной железы с различным метастатическим потенциалом, Копельман и его коллеги загрузили раковые клетки в так называемый микрофлюидный клеточный слайд, состоящий из тысяч отсеков. В каждом из отсеков содержится только одна раковая клетка.
На это предметное стекло исследователи добавляют раствор коммерчески доступных магнитных наночастиц. Эти наночастицы проникают в раковые клетки, но не причиняют им вреда. Затем вокруг лотка с раковыми клетками вращается магнит, который медленно вращает раковые клетки. Медленное вращение не влияет на форму клетки, но позволяет раковой клетке менять форму.
При вращении клетки способны менять свою морфологию, подобно тому, как это происходит в организме. Пока они меняют форму, исследователи делают флуоресцентные снимки клеток. Затем они объединили два алгоритма - распознавания объектов и машинного обучения - для идентификации каждой из клеток по ее форме.
Сначала исследователи обнаружили, что клетки, подвергшиеся EMT, по форме сильно отличаются от контрольной популяции, что демонстрирует сильную связь между морфологическим и биологическим поведением клетки.
"Этот новый метод на основе машинного обучения, по-видимому, обладает потенциалом для картирования и классификации морфодинамического распределения клеточной популяции и, таким образом, позволяет получить информацию о степени морфологической пластичности популяции опухолевых клеток, а такая пластичность часто коррелирует с летальностью", - сказал Копельман.
Для анализа клеток, претерпевающих значительные изменения формы, исследователи заставили клеточную линию рака простаты человека PC-3 пройти через переход от эпителия к мезенхиме. Используя магнитоповорот клеток, исследователи смогли определить не только клетки, прошедшие переход, но и наличие еще большего количества подмножеств исходных клеток.
Наконец, они хотели выявить высокоподвижные клетки в популяции клеток рака молочной железы. Они сравнили изображения этих высокомобильных клеток с клетками в линиях рака молочной железы, которые не смогли мигрировать (с помощью стандартного теста), и смогли отличить популяцию мобильных клеток от общей популяции клеток рака молочной железы.
"Мы надеемся, что этот конкретный метод в конечном итоге станет широко доступным и даст лечащему врачу информацию об агрессивности конкретного рака", - сказал Копельман. "Нам нужны более новые, лучшие, дополнительные тесты, которые дадут лечащим врачам дополнительную информацию. Я надеюсь, что это микрофлюидное устройство в конечном итоге станет стандартным вариантом для скрининга раковых клеток".
