2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Französische Wissenschaftler haben gezeigt, dass man mit der Brillouin-Streuung die mechanischen Eigenschaften eines Krebses im Handumdrehen messen und die Wirksamkeit einer Chemotherapie bewerten kann. Dazu beobachteten die Wissenschaftler die Verschiebung und Verbreiterung der Spektrallinien des sichtbaren Lichts, das durch Sphäroide von SW480- oder HCT116-Krebszellen hindurchgeht, die in eine Fluorouracil-Lösung gegeben wurden. Der Artikel wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, über den Physics kurz berichtete.
Ein Krebstumor besteht aus mehreren Zelltypen, die durch Transmembranbindungen und Interaktionen zwischen extrazellulären Matrizen miteinander verbunden sind. Aus mechanischer Sicht kann diese Struktur als poroelastisches Material betrachtet werden - ein elastischer Rahmen, der von den Zytoskeletten von Zellen gebildet wird und mit intrazellulärer und interstitiellem (interstitiellem) Fluid gefüllt ist. Wenn der Tumor wächst, drückt ihn das äußere Gewebe immer stärker und die Flüssigkeit fließt allmählich ab. Leider haben Wissenschaftler noch wenig Verständnis dafür, wie dieser Prozess abläuft. Gleichzeitig beeinflusst es direkt die Abgabe und Retention von Medikamenten im Tumor (Chemotherapie). Darüber hinaus zeigen einige Studien, dass Kontraktion die Zellproliferation fördern und die Bildung von Metastasen auslösen kann. Daher ist es wichtig, die mechanischen Eigenschaften des Tumors zu untersuchen.
Krebsschema: elastischer Rahmen plus Flüssigkeitsströme
Die Elastographie ist ein Standardverfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften eines Tumors. Dabei wird die Probe langsam (maximal mehrmals pro Sekunde) gedehnt und gestaucht und ihre Reaktion auf äußere Einflüsse (zum Beispiel Deformationswellen) von Sensoren erfasst. Dieser Ansatz erfasst die grundlegenden Eigenschaften des elastischen Rahmens, übersieht jedoch die Flüssigkeit, die sich während der Studie praktisch nicht bewegt. Außerdem lässt sich die Stressverteilung innerhalb des Tumors nicht wiederherstellen – in der Regel gehen Wissenschaftler davon aus, dass sie gleichmäßig ist, die optische Kohärenztomographie zeigt jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Leider konnten Wissenschaftler die genaue Form dieser Verteilung noch nicht feststellen. Somit erlauben die bestehenden Methoden keine erschöpfende Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des Tumors.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Thomas Dehoux versuchte, diese Mängel mit Mikroskopie auf der Grundlage der Mandelstam-Brillouin-Streuung zu beheben. Mit anderen Worten, Physiker haben vorgeschlagen, mit monochromatischen Wellen sichtbaren Lichts durch eine Probe zu scheinen und dann das Spektrum der durch die Probe hindurchgetretenen Strahlung zu messen. Da elektromagnetische Wellen mit natürlichen elastischen Schwingungen des Mediums (Hyperschall) wechselwirken, kann die Verzerrung ihres Spektrums zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften der Probe verwendet werden, wobei nicht nur das elastische Gerüst, sondern auch die darin enthaltene Flüssigkeit berücksichtigt wird. Mit dieser Methode wurden bereits vor einigen Jahren einzelne Zellen und lebendes Gewebe aus einem lebenden Organismus (ex vivo) untersucht. Es wurde jedoch noch nicht für die Untersuchung von Krebstumoren verwendet, die aus mehreren Zelltypen bestehen.
Versuchsaufbaudiagramm
Um zu zeigen, dass die Entwicklung eines Tumors mit Brillouin-Streuung beobachtet werden kann, haben Wissenschaftler seine komplexe Struktur in einem Reagenzglas (in vitro) nachgebildet. Dazu stellten sie Sphäroide aus zwei verschiedenen Linien von Darmkrebszellen (SW480 und HCT116) her und legten sie in mit Nährlösung gefüllte Vertiefungen. Insgesamt stellten die Wissenschaftler 96 Wells mit Sphäroiden her und platzierten sie in einem Inkubator, der die Bedingungen im menschlichen Körper simulierte (Temperatur 37 Grad Celsius und 5 Prozent Kohlendioxidkonzentration). Dann beleuchteten Physiker die Proben mit einem optischen Laser (Wellenlänge in der Größenordnung von hundert Nanometern), maßen die Verschiebung und Verbreiterung der Spektrallinien. Dadurch konnten die Wissenschaftler im Bild zwischen Nährlösung und verschiedenen Zelltypen unterscheiden. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die spektralen Eigenschaften der Strahlung, die durch die Probe ging, für verschiedene Teile der Probe unterschiedlich waren. Laut Wissenschaftlern deutet dies darauf hin, dass in der Mitte des Sphäroids mehr mechanische Spannungen herrschen als in der Nähe der Ränder. Leider konnten die Forscher die Spektrumsverzerrung und die mechanische Belastung nicht eindeutig in Verbindung bringen.
Spektrum von Nährlösung (rot) und tumorsimulierendem Sphäroid (blau)
Verschiebung (a) und Verbreiterung (b) der Spektrallinien der durch Sphäroide übertragenen Strahlung von HCT116 (weiß) und SW480 (grau)
Intensität der Verschiebung (obere Reihe) und Verbreiterung (untere Reihe) der Spektrallinien in HCT116-Sphäroiden. Links - räumliche Verteilung, rechts - radial gemittelte Verteilung
Schließlich haben Physiker gezeigt, dass es mit der vorgeschlagenen Methode möglich ist, die Entwicklung eines Tumors während einer Chemotherapie zu beobachten. Dazu legten sie Sphäroide aus HCT116-Zellen in eine Lösung von Fluorouracil (5-Fluorouracil, 5-FU), einem Medikament zur Behandlung von Darmkrebs, und zeichneten dann die Verschiebung und Verbreiterung der Spektrallinien in verschiedenen Teilen des Sphäroids auf Tag und zwei Tage nach Therapiebeginn. Als Ergebnis stellten die Wissenschaftler fest, dass das Sphäroid weicher und lockerer wurde (die Verschiebung der Spektrallinien nahm ab, die Breite nahm zu) und sein Durchmesser ab. Zudem zeigten Messungen, dass der Wirkstoff erst am zweiten Tag das Zentrum des Sphäroids erreichte – zuvor änderten sich seine optischen und mechanischen Eigenschaften nur in Randnähe. Diese Beobachtungen wurden von Physikern mit Phasenkontrast-Bildgebung und Messungen der Konzentration toter Zellen bestätigt. So ermöglicht die von Wissenschaftlern vorgeschlagene Methode, mechanische Eigenschaften im Handumdrehen zu messen und den Verlauf der Chemotherapie zu überwachen.
(a) Fotografien des Sphäroids am Tag des Therapiebeginns, ein und zwei Tage später. (b) Verschiebung (links) und Verbreiterung (rechts) von Spektrallinien nahe Rand und Mitte des Randes sowie im Zwischenbereich an verschiedenen Therapietagen
Die Entdeckung neuer physikalischer Prozesse trägt oft dazu bei, die Arbeit von Ärzten zu vereinfachen – auch bei der Behandlung von Tumoren. Im April 2017 untersuchten Forscher des MIT beispielsweise Organe und Gewebe im Inneren einer lebenden Maus mit Hilfe von Quantenpunkten – Indiumarsenid-Nanokristallen, die in einem engen Bereich des Spektrums emittieren können. Insbesondere haben Wissenschaftler mit einer neuen Methode das Wachstum eines Hirntumors bei Mäusen verfolgt. Im August 2017 verbesserten Physiker der Duke University die Anti-Tumor-Immunantwort bei Mäusen mit Gold-Nanopartikeln in Form von Sternen – so gelang es Wissenschaftlern, bei einigen Mäusen nicht nur Krebs zu heilen, sondern sie auch gegen die Entwicklung des gleichen Tumortyps. Schließlich entwickelten amerikanische Bioingenieure im November 2018 einen Ansatz zur gezielten Bereitstellung von Komponenten eines Genom-Editing-Systems mithilfe magnetischer Nanopartikel und brachen dann ein Gen bei einem Mauskrebs.
