Międzynarodowe badania z udziałem polskich naukowców nad nowatorską metodą wczesnego wykrywania raka

18.10.2023

Zmiany właściwości mechanicznych komórek należą do najwcześniejszych objawów formującego się nowotworu. Jedną z poważniejszych przeszkód na drodze do wykorzystania zmian mechanicznych w diagnozowaniu raka był do tej pory brak ustandaryzowanej procedury pomiarowej, gwarantującej powtarzalność i wiarygodność wyników. Dzięki europejskiej współpracy naukowej z udziałem Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie przeszkodę tę właśnie udało się usunąć.

Gdy zdrowe komórki przekształcają się w nowotworowe, zmieniają się ich właściwości mechaniczne. Obserwację tę można byłoby wykorzystać do szybkiego wykrywania pacjentów zagrożonych rakiem, jednak tylko pod warunkiem, że pomiary mechaniczne pobranych od nich próbek byłyby rzeczywiście wiarygodne. Ważnym krokiem ku temu celowi jest propozycja standaryzacji pomiarów, właśnie przedstawiona na łamach prestiżowego czasopisma naukowego „Nanoscale”. Opublikowany artykuł to efekt kilkuletniej współpracy europejskich naukowców z uniwersytetów w Amsterdamie, Barcelonie, Bremie, Lille, Marsylii, Mediolanie, Münster oraz z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

W 1999 roku w IFJ PAN wykazano, że w stosunku do zdrowych, komórki nowotworowe charakteryzują się zwiększoną deformowalnością cytoszkieletu, ułatwiającą im przeciskanie się przez wąskie naczynia układu krwionośnego i/lub limfatycznego i formowanie przerzutów. Dziś wiemy, że komórki nowotworów piersi, jelita, pęcherza moczowego czy prostaty już we wczesnych fazach transformacji nowotworowej stają się bardziej miękkie, podczas gdy komórki innych, na przykład białaczek, sztywnieją. Zmiana właściwości mechanicznych komórek może być co prawda spowodowana także innymi czynnikami, na przykład stanem zapalnym, niemniej jej obecność ewidentnie predestynuje pacjenta do dalszych, bardziej precyzyjnych badań.

Zmiany właściwości biomechanicznych komórek można mierzyć za pomocą mikroskopów sił atomowych (Atomic Force Microscope, AFM). Urządzenia tego typu na ogół służą do obrazowania mikroświata, nawet w skalach umożliwiających detekcję pojedynczych atomów. Istotny jest tu fakt, że w urządzeniach AFM za pomocą ich sond można działać na badane podłoże precyzyjnie ustaloną siłą. Jeśli podłożem jest komórka, jej mechaniczna odpowiedź pozwala wyznaczyć współczynnik sprężystości (moduł Younga) i na tej podstawie wyciągać wnioski o elastyczności nie tylko struktur przy błonie komórkowej, ale nawet w pobliżu jądra komórkowego.

Zmiany właściwości mechanicznych komórek pojawiają się wcześniej niż optyczne zmiany nowotworowe, zatem zaproponowana metoda umożliwi wykrycie choroby z większym wyprzedzeniem niż dotychczas.
Wartość tego wyprzedzenia prawdopodobnie będzie różna dla różnych odmian raka, to jednak pozwolą sprecyzować dopiero przyszłe badania. Wiadomo już jednak z pewnością, że nowa metoda diagnostyczna jest bardziej czuła od technik optycznych obecnie używanych w diagnostyce nowotworowej. Zastosowanie procedur standaryzacji pomiarów wraz z automatyczną rejestracją i analizą danych pozwoli na skrócenie czasu realizacji badania: zamiast czekać kilka tygodni na wynik, pacjent będzie mógł go otrzymać po zaledwie paru dniach.

Nim technika mechanicznego wykrywania zmian rakowych trafi do szpitali, niezbędny będzie jeszcze etap badań klinicznych, które zostaną przeprowadzone we współpracy z zainteresowanymi jednostkami medycznymi.

Prace badawcze nad mechaniką komórek nowotworowych zostały zrealizowane w ramach projektu Phys2BioMed, finansowanego z grantu Marii Skłodowskiej-Curie programu Horizon 2020 Unii Europejskiej.