Sự phá vỡ các tế bào khối u có thể thúc đẩy sự tăng sinh

Vào năm 2024, các khối u ác tính đã gây ra hơn 21.300 ca tử vong ở Áo, tăng 4,7% so với năm 2014. Đối mặt với những thách thức toàn cầu như vậy, các nhà khoa học đang cố gắng hiểu rõ hơn điều gì thúc đẩy các tế bào ung thư phát triển, lan rộng và xâm lấn các mô khỏe mạnh. Trong tạp chí Science Advances, một nhóm tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) hiện đưa ra manh mối mới: Sử dụng một mô hình đơn giản, các nhà nghiên cứu cho thấy môi trường hỗn loạn xung quanh các tế bào khối u có thể thúc đẩy hành vi xâm lấn của chúng như thế nào. Khái niệm lý thuyết này cần được nghiên cứu sâu hơn trong mô khối u thực sự.

Các khối u được hình thành từ các tế bào nhân lên trong mô nguồn gốc của chúng và tạo thành một tập thể. Trong khi một số tế bào vẫn ở đó, những tế bào khác xâm chiếm các mô lân cận, lan rộng khắp cơ thể và cuối cùng di căn đến phổi hoặc gan. Để làm điều này, các tế bào riêng lẻ được tách ra khỏi tập thể – quá trình này chủ yếu được xác định bởi các yếu tố di truyền. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, môi trường vi mô không ác tính xung quanh các tế bào ung thư đã nổi lên như một yếu tố tiềm ẩn khác gây ra bệnh ác tính.

Một nhóm nghiên cứu liên ngành bao gồm các nhà sinh học thực nghiệm và nhà vật lý lý thuyết từ nhóm Sixt và Hannezo ISTA, cũng như Viện Francis Crick, hiện cho thấy một môi trường không thuận lợi có thể gây ra hành vi cụ thể như thế nào trong sự phát triển của các tế bào khối u.

Tế bào ung thư và môi trường vi mô của chúng

Giáo sư Michael Sixt của ISTA cho biết: “Trong giai đoạn đầu của sự lan rộng của khối u, các tế bào được tách ra khỏi tập thể”. “Đó là dấu hiệu đặc trưng của bệnh ung thư. Là các tế bào riêng lẻ, chúng có thể xâm lấn các mô lân cận hiệu quả hơn nhiều. Nếu chúng ở trong một tập thể tế bào, chúng sẽ không di chuyển rất xa và ở lại mô nơi chúng được tìm thấy.”

Có một số lý do khiến một số tế bào khối u phân chia. Một trong số đó là tính không đồng nhất về mặt di truyền – sự đa dạng về mặt di truyền thúc đẩy sự tiến hóa của các khối u. Đây là một mô hình lâu đời: cần phải thay đổi và lựa chọn một số phương án nhất định.

Đồng thời, nghiên cứu về môi trường xung quanh tế bào khối u ngày càng gia tăng. Nó liên quan đến sự tương tác giữa các tế bào ung thư và môi trường vi mô của chúng, bao gồm tế bào cơ địa, mạch máu, tế bào miễn dịch, mô liên kết và các phân tử tín hiệu cũng như cách các yếu tố này có thể góp phần vào sự tiến triển ác tính.

Sicht tiếp tục: “Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự không đồng nhất lớn hơn trong môi trường khối u có thể là dấu hiệu của bệnh ác tính cao hơn”. “Vì vậy, chúng tôi tự hỏi: Tính không đồng nhất trong môi trường tế bào khối u có ý nghĩa gì? Làm thế nào chúng tôi có thể kiểm tra nó trong mô hình đơn giản nhất có thể?”

Chip phòng thí nghiệm với một rừng cột

Cùng với cựu sinh viên ISTA và tác giả đầu tiên của nghiên cứu Saren Tassian, nhóm đã quyết định phân tích hình học của môi trường. Thí nghiệm được thiết kế sao cho mọi thứ không đổi ngoại trừ hình dạng mà các tế bào di chuyển qua đó.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cái gọi là mạch vi lỏng: các thiết bị thí nghiệm nhỏ trong đó một lượng nhỏ chất lỏng chảy qua các kênh hẹp. Chúng tương tự như đĩa Petri có thể được sử dụng để phát triển tế bào khối u nhưng chúng cho phép các nhà khoa học kiểm soát chính xác hơn môi trường vật lý của tế bào.

Tassian đã thiết kế những con chip với một rừng gai để các tế bào khối u di chuyển qua đó – tương tự như một hàng rào vi mô. Đầu tiên, các cột được đặt sao cho đồng đều và đồng đều nhất có thể; sau đó chúng được định vị ở dạng không đều và không đồng nhất. So sánh hai tình trạng này, các nhà nghiên cứu quan sát thấy các tế bào khối u tập thể ở dạng hình học không đồng nhất dễ dàng phân tách hơn và các tế bào riêng lẻ cũng tách biệt hơn.

Ký ức tập thể

Để tìm hiểu lý do tại sao điều này xảy ra, nhóm Sixt đã tìm đến các đồng nghiệp của họ từ nhóm nghiên cứu ISTA, Giáo sư Eduard Hannezo, người chuyên về các nguyên lý vật lý trong hệ thống sinh học.

Cựu sinh viên ISTA và tác giả đầu tiên Zuzana Dunajova đã sử dụng các mô hình máy tính để nắm bắt các đặc tính chính của tế bào, bao gồm khả năng tự điều chỉnh và kết nối với các tế bào khác và môi trường của chúng. Trong các mô phỏng, các tế bào cũng di chuyển trong môi trường có trật tự và không có trật tự. Các kết quả phản ánh chặt chẽ các quan sát thực nghiệm.

Hannezo cho biết: “Mặc dù ban đầu chúng tôi không hiểu những mô phỏng này nhưng chúng vẫn phức tạp hơn nhiều so với sinh học, vì vậy chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể sử dụng chúng làm cơ sở để thử nghiệm các cơ chế khả thi”.

Phân tích cuối cùng đã làm rõ rằng các tế bào không chỉ phản ứng với môi trường trực tiếp của chúng khi chúng bị tách khỏi một tập thể. Họ cũng có một lịch sử: họ có thể đã vượt qua được một số hạn chế hoặc trở ngại.

“Đó là điểm bùng phát,” Hannezo tiếp tục. “Trong một môi trường mất trật tự, một tế bào không chỉ bị xáo trộn tại một thời điểm. Nó đã di chuyển qua các khu vực bị xáo trộn nhiều lần. Kết quả là, toàn bộ ranh giới chung của các tế bào thay đổi – nó trở nên rất thô ráp và hình thành những phần nhô ra giống như ngón tay.”

Nói tóm lại, một tập thể tế bào tiếp xúc với môi trường không đồng nhất cao trong thời gian dài sẽ dễ bị vỡ hơn. Nó được chuẩn bị một cách hiệu quả – hay còn gọi là “pridor”. Sau khi đạt đến điểm tới hạn, ngay cả những điểm yếu nhỏ cũng có thể tách tế bào ra khỏi mô tập thể.

Từ góc độ vật lý, những phát hiện này chỉ ra một nguyên lý thậm chí còn rộng hơn. Hoạt động của mặt trận xâm lấn tế bào khối u có thể được mô tả bằng cách sử dụng một khung toán học cũng áp dụng cho các hệ thống vật lý dường như không liên quan. Điều này phản ánh một khái niệm gọi là tính phổ quát: các hệ thống phức tạp có thể thể hiện các mô hình cơ bản giống nhau ở các quy mô và vật liệu khác nhau. Ví dụ như mép vết cà phê hoặc cháy rừng.

Một khái niệm lý thuyết cho các nhà nghiên cứu và vật lý học về ung thư

Đối với nhóm Sixt và Hannezo, động lực là làm cho một ý tưởng mang tính khái niệm cơ bản trở nên rõ ràng: các tế bào khối u hoạt động như thế nào trong mối quan hệ với môi trường của chúng. Công việc của họ tích hợp sinh học và vật lý của bệnh ung thư, phản ánh cam kết cốt lõi của ISTA đối với nghiên cứu liên ngành.

Cùng với các yếu tố di truyền và biểu sinh, nghiên cứu một lần nữa nhấn mạnh tầm quan trọng của môi trường vi mô khối u. Nhưng không có yếu tố nào trong số này nên được xem xét riêng biệt: chúng liên tục tương tác với nhau và cùng nhau ảnh hưởng đến mức độ ác tính của khối u.

Hai giáo sư ISTA cho biết: “Điều quan trọng đối với chúng tôi là phát triển và xuất bản khái niệm này để các nhà nghiên cứu khác có trình độ cao hơn có thể tham gia vào nó”. “Bước tiếp theo là các nhà khoa học áp dụng phương pháp này vào mô khối u thực sự và thử nghiệm nó ở đó.”

—

Phiên bản:

Dunajova và Tascian và cộng sự. 2026. Tính không đồng nhất của chất nền thúc đẩy sự tăng sinh tế bào ung thư thông qua việc làm nhám bề mặt. Những tiến bộ trong khoa học. DOI: 10.1126/sciadv.aed0587