科学家揭秘肿瘤生长背后的物理特性！

2021年1月30日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，一篇刊登在国际杂志Biosystems上题为“Cell and extracellular matrix growth theory and its implications for tumorigenesis”的研究报告中，来自杜克大学等机构的科学家们通过研究开发出了一种能预测肿瘤生长的新策略；研究人员并不只专注于细胞生长的生物学机制，而是利用热力学和肿瘤扩张的物理空间来预测其从单个细胞金华威复杂癌变肿块的过程。

研究者Ehsan Samei表示，当科学家们提到癌症时首先想到的是生物学特性，这时候往往会忽略掉癌细胞生长模式的物理特性；以及肿瘤如何与其周围组织相互作用，并为其细胞提供养分，而这是迄今为止并没有被很好研究的一个方面。研究人员所提出的理论使用了自然系统生长以及重组自身以获得最大流动系统的基本概念，其不仅能够解释这种生长发生的机制，还解释了其为何必须发生。

这项最新研究基于研究者Bejan于1996年撰写的构造定律（constructal law），该定律指出，一个系统想要生存下去，就必须不断进化来增加其流动的通道；比如，人类血管系统就会进化出为一个由少数大动脉和许多小型毛细血管组成的网络提供血流，河流系统、树枝和现代公路及道路网络都反映了同样的力量在发挥着作用。这项研究中，研究者Bejan等人揭示了肿瘤在生长过程中的生长和内部重组是如何直接与其需要制造更多流动营养物质通道及清除垃圾的管道联系在一起的，他们利用这些观点预测了细胞簇的生长能作为结构的功能，同时也预测了标志一个不同配置过渡到下一个配置的关键簇的大小。

图片来源：Duke University School of Nursing

为了验证这一理论，研究人员将他们的预测与多个独立的癌变和非癌变肿瘤生长模式的测定结果进行了比较，研究结果显示，这项工作为细胞簇在最小尺度上的生长及现象模型中所描述的增殖细胞的大规模动态提供了一个统一的视角。随着肿瘤的生长，流动系统会变得足够大，其会通过肿瘤的血管化来产生可见的电流，这种理论揭示了这类戏剧性转变背后的物理学原理，并能够预测其是在何时发生的。

在过去15年里，研究者Samei一直在研究患者的计算性详细模型，从而旨在通过所谓的虚拟临床试验测试新的干预措施和医疗程序；这些试验能够模拟患者和程序从而实现医疗评估，随着新的肿瘤生长理论的出现，研究人员就能成功创建动态的、不断生长的肿瘤模型，并未癌症研究开辟新的途径。目前研究人员正在从其所开发的新型模型中产生肿瘤生长的图像，并将其与来自患者机体中真实的图像进行比较，同时也测试了放射专家是否能够观察到其中的差别，截止到目前为止，所得到的结果非常有希望。

最后研究者表示，如果肿瘤不生长，该模型或许并不现实，我们希望这一平台能够帮助准确模拟肿瘤的生长以便能够回答一个非常现实的问题，即患者通常多久需要进行一次成像来确定是否癌症在增长或已经发生了萎缩。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】T.J.Sauer，E.Samei，A.Bejan. Cell and extracellular matrix growth theory and its implications for tumorigenesis， Biosystems (2021). DOI： 10.1016/j.biosystems.2020.104331

【2】The physics behind tumor growth

by Ken Kingery， Duke University School of Nursing