Abstract
Endringer i ekstracellulær matriks (ECM) struktur eller mekanikk aktivt kan kjøre kreft progresjon; men er fortsatt underliggende mekanisme ukjent. Her utforsker vi om denne prosessen kan være mediert av endringer i cellen form som fører til økning i genetisk støy, gitt at begge faktorer har blitt uavhengig vist seg å endre genuttrykk og indusere celle skjebne veksling. Vi gjør dette ved hjelp av en datamaskinsimuleringsmodell som undersøker virkningen av fysiske forandringer i vevet mikromiljø under betingelser hvor fysisk deformasjon av celler øker genekspresjon variabilitet mellom genetisk identiske celler. Modellen viser at kreftvev vekst kan drives av fysiske forandringer i mikromiljøet: når økninger i celleform variasjon på grunn av vekst-avhengige økninger i cellepakketetthet forbedre genekspresjon variasjon, heterogen autonom vekst og ytterligere strukturell uorden kan føre til, derved drivende kreft progresjon via positive tilbakemeldinger. De modellparametere som førte til denne forutsigelse er i overensstemmelse med eksperimentelle målinger av mammary vev som gjennomgår spontant kreft progresjon i transgene C3 (1) -SV40Tag hunnmus, som utviser forbedret stivhet av melkekanalene, samt en progressiv økning i variasjon av celle- celle relasjoner og tilhørende celle formen endringer. Disse resultatene viser potensialet for fysiske forandringer i vevet mikromiljø (for eksempel, endrede ECM-mekanikk) for å indusere en kreft fenotype eller akselerere progresjon av kreft i en klonal populasjon gjennom lokale forandringer i cellegeometri og økt fenotypisk variabilitet, selv i fravær av genmutasjoner .
Citation: Werfel J, Krause S, Bischof AG, Mannix RJ, Tobin H, Bar-Yam Y, et al. (2013) hvordan endringer i ekstracellulære matriks mekanikk og Gene Expression Variasjon Kan kombinere å drive kreft progresjon. PLoS ONE 8 (10): e76122. doi: 10,1371 /journal.pone.0076122
Redaktør: Sui Huang, Institute for Systems Biology, USA
mottatt: May 23, 2013; Godkjent: 20 august 2013; Publisert: 03.10.2013
Copyright: © 2013 Werfel et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Dette arbeidet ble støttet av en DOD Breast Cancer Innovator Award (BC074986 til DEI), en DOD Breast Cancer Multi-team Award (W81XWH-10-1-0565 til DEI), en Susan G. Komen postdoktorstipend (KG101329 til SK), og Wyss institutt for Biologisk Inspirert Engineering ved Harvard University. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Kreft er ofte tenkt som en genetisk sykdom, som følge av en rekke genmutasjoner som liberalcellevekst og føre til neoplastisk transformasjon. Mens genmutasjoner bidra til kreftutvikling, har senere arbeid vist at forandringer i vevet mikro også kan initiere og drive kreft formasjonen. For eksempel kan brystkreft dannelse induseres i transgene mus ved å konstitutivt uttrykke et gen som koder for et enzym som selektivt nedbryter ekstracellulær matriks (ECM) [1], og omvendt, noen kreftceller kan bli indusert til å opphøre former og differensiere ved å kombinere dem med normal ECM [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Brystkreft progresjon er også ledsaget av en progressiv økning i ECM stivhet, og brystkreft vekst kan selektivt akselerert eller bremset ved henholdsvis å øke eller redusere ECM kryssbinding
in vivo product: [9], [10]. Mer nylig, brystcancer-celler også er blitt vist å gjennomgå en fenotypisk rever in vitro når det er fysisk sammenpresset [11]. Men mens betydningen av fysisk art av svulsten mikromiljøet er nå godt verdsatt, den mekanismen som disse endringene kan kjøre (eller omvendt) kreft formasjon er fortsatt uklart.
Vi startet denne beregningsorientert modellering studie basert på observasjon at ikke-genetiske faktorer spiller også en avgjørende rolle i kontrollen av celle skjebne og atferd. En nøkkel miljøfaktor er celleform [12], som endrer genekspresjon og regulerer celle skjebne veksling mellom vekst, differensiering og apoptose [13], [14], [15], så vel som mellom forskjellige stamcelle linjer [16] , [17]. Celleform er i sin tur styres av forandringer i mekaniske krefter som balanseres mellom cellens cytoskjelett kontraktile og dens utvendige adhesjon til ECM og til andre celler [13], [14], [15]. Således kan variasjoner i ECM-struktur eller mekanikk forandre celle skjebne svitsjing og vev morfogenese innflytelse ved å endre kraftbalansen mellom celler og ECM, for derved å produsere lokalisert celleform forvrengning. Videre kan kunstig forstyrre cellekraftbalansen ved å undertrykke cytoskeletal spenning generasjon innen utvikling av epitel føre til uorganisert celle-celle relasjoner som etterligner de observert under tidlige stadier av tumordannelse [18]. Det har således blitt foreslått at endringer i fysiske vekselvirkninger mellom celler og ECM aktivt kan drive eller akselerere tumordannelse ved å endre celleform [19], [20]. Men en hvilken som helst økning i celleproliferasjon vil være ledsaget av en økning i cellepakketetthet som skal komprimere celler, og derved undertrykke deres vekst. Og slik er det fortsatt uklart hvordan endringer i ECM mekanikk eller cellen form forvrengning kunne kjøre kreft formasjon.
Datasimuleringer basert på dynamisk boolske nettverk og eksperimentelle resultater indikerer at de ulike celle skjebner som en bestemt celle kan fremvise (f.eks vekst, differensiering, apoptose) representerer et forhåndsprogrammert sett felles end programmer eller «attraktorer», som selv organiserer innenfor cellens regulatoriske nettverk [14], [21], [22]. I denne type dynamisk nettverk modell for informasjonsbehandling, generalisert stimuli, som for eksempel mekaniske krefter, og spesifikke molekylære signaler genererer signaler som fører cellene til å følge forskjellige baner som til slutt konvergerer mot en av et lite sett med felles ende programmer (for eksempel, vekst eller Differensiering). I tillegg, fordi kontrollen av cellevirkemåten omfatter valg av forhåndseksisterende atferds moduser av cellen, bytter også kan induseres ved genetisk støy (dvs. stokastiske variasjoner i genekspresjonsprofiler). Genuttrykk stochasticity regulerer overganger mellom forskjellige skjebner fordi mens nettverksdynamikk drevet av bestemte stimuli tendens til å kjøre en celle til en lokal attraktor i staten plass, kan overganger mellom attraktorer oppstå når støy skyver celle av en vask av tiltrekning og inn i en annen [23 ]. Miljøets påvirkning på disse overganger kan forstås som oppstår ved regulering av støy amplitude [21], [24]. Betydningen av disse ikke-genetiske faktorer er vektlagt ved eksperimenter som viser ikke-genetisk variasjon blant klonale celler [25], [26], [27], noe som gjenspeiler stokastisk genuttrykk [25], [26], [28] og svar til forskjellige microenvironments [26], [27], [29].
Viktigere er morfologisk tap av regularitet av cellen form og posisjon er et kjennetegn på progresjon av kreft [29], og tumordannelse er ledsaget av en progressiv tap av normal formavhengig kontroll over cellevekst, differensiering og overlevelse [27], [29], [30], [31], [32]. I tillegg vises det gjengivelse av genetisk kontroll for å bli tett koblet til kjerne og kromatin struktur, som i sin tur er følsomme for cytoskeletal struktur og celleformen regulering [33], [34], [35]. Dermed øker i cellen form variasjon som følger med tidlige stadier av tumordannelse potensielt kan spille en aktiv rolle i celle skjebne overganger som driver kreftutvikling både ved å utnytte mekaniske signalveier og ved å styrke genetisk variasjon.
Drevet av disse hensynene, vi brukte en datamaskinsimuleringsmodell for å undersøke hvorvidt økninger i avviket i celle morfologiske parametere som skyldes endringer i ECM struktur eller mekanikk kan aktivt å drive progresjon av kreft ved å øke genetisk støy (genekspresjon variabilitet) i den endrede mikromiljøet. Disse modelleringsstudier viste at deregulering av normal kontroll av celle atferd på grunn av utvikling av strukturelle uregelmessigheter i vevet mikromiljøet kan føre til en positiv feedback loop som ytterligere destabiliserer vev struktur, akselererer neoplastisk transformasjon og fører til ubegrenset vekst. Histologiske studier i et muse-transgen brystkreft modellen støtter våre konklusjoner, og viser at kreft progresjon er assosiert med en progressiv økning i variasjonen av cellen form og celle-celle relasjoner, som vår modell spår ville fremme ubegrenset vekst.
resultater
Computational Model of tissue Homeostase
De celler og vev i alle organer utviser karakteristiske tredimensjonale (3D) figurer som er svært vanlig i form, mens celler og vev formen blir gradvis uorganisert under svulstdannelse og kreft progresjon. Individuelle celler som oppviser også ulike måter avhengig av i hvilken grad de fysisk strekker seg: generelt, forankringsavhengige celler vokse mer når spredning, og de slås av og gjennomgår apoptose når kompakte, runde eller løsrevet fra deres adhesjon, selv når de dyrkes i nærvær av mettende konsentrasjoner av løselige vekstfaktorer [13]. Hypotesen vi fokuserer på i dette arbeidet er det uregelmessigheter i en celle lokale vev miljø kan føre til økt variasjon i formen, som også kan forringe kvaliteten til cellulær genetisk kontroll og dermed føre til økt variasjon i sine svar på de fysiske krefter som fungerer på den for å kontrollere sin vekst og levedyktighet.
Derfor, i vår modell av vev skjemaet regulering, den fenotypiske parameter vi fokuserer på er cellens atferds variasjon, i form av sin tilbøyelighet til å vokse som svar på fysisk spenning forårsaket av formen forvrengning. Denne variasjonen forandrer seg som en funksjon av fysiske faktorer i cellens mikromiljøet som endrer sin form, spesielt antallet naboer den kommer i kontakt, som endres med celle befolkningstetthet og arrangement. Modellen er konstruert slik at cellevekst og apoptose er strengt regulert av krefter på cellen (som undertrykker kompakte pålitelig vekst og øker apoptose) når en celle er i en «sunn» mikro [13], mens uregelmessigheter i fysisk mikromiljøet forstyrre at regulering av økende befolkning variasjon i cellenes atferdsmessige responser til fysisk spenning eller trykk. Målet var å undersøke om disse faktorene alene kan føre til økninger i celle nummer og vev masse over tid uten en genetisk mutasjon som forekommer i en celle.
Simuleringsmodeller av kreftutvikling og tumorvekst utforsket i det siste har fokusert på forskjellige nivåer, som strekker seg fra enkeltceller [36], [37], [38], [39] til bulk vev [40], [41], [42], [43], [44], [45]. På grunn av de relevante lengdeskala og sentrale betydningen av variasjon innen cellepopulasjoner i vår studie, valgte vi å bygge vår simulering som en agent-basert modell med hver agent som representerer en distinkt celle, snarere enn som en bulk modell av kontinuerlig vev. Betydningen av krefter basert på relative celle steder diktert et off-gitter [36], [37] i stedet for cellulær automat (CA) modell [38], [46], slik at cellene kan ha vilkårlige kontinuerlige-verdi stillinger i stedet for å bli begrenset til diskrete steder.
Som mer enn 90% av kreft er epitel i naturen, har vi konstruert vår datamaskinsimuleringsmodell for å representere celler i et 3D-planar epitel. I vår modell cellene oppfører seg som deformerbare selvklebende kuler på en plan lim substrat (Fig. 1a). Hver celle opplever en kraft fra hver av sine naboer, som om sentrene for de to cellene ble forbundet ved hjelp av en fjær hvis resten lengde er basert på cellestørrelser. Substratet utøver også kreftene på celler: vertikalt for å modellere vedlegget og horisontalt om en celle grenser til et tomt område av ledig substrat, for å modellere den måten en celle sprer seg i et slikt tilfelle. Netto kraft regulerer cellenes bevegelse i 3D-rom. Utvendige krefter på en celle er registrert som spenning, innover seg som komprimering. Den netto spenning på en celle, T
total, styrer dens tendens til vekst eller apoptose (figur 1B.); en celle under større spenning har en økt sannsynlighet for vekst, mens større komprimering øker sjansen for apoptose [13]. Den karakteristiske spenningsnivå der en celle har en tendens til å bytte fra quiescence til vekst er referert til her som
ekspansjon terskel product: (T
e). Hvis T
totale overstiger T
e i løpet av et tidstrinn, legger cellen et inkrement G til dets volum; når cellen når to ganger det opprinnelige volum (gjennom reiterative tilsetninger av G over tid), begår det til oppdeling i to celler som hver inneholder den opprinnelige volum. Hvis T
totale synker under
apoptose terskel
T
a, forplikter cellen til apoptose. Når en celle har forpliktet seg til enten skjebne, venter det en ytterligere tid τ
e eller τ
a og deretter umiddelbart deler eller forsvinner, henholdsvis.
(A) To representasjoner av celler i modellen under statisk likevekt: (venstre) romfyllende vinklet visning, (til høyre) skjematisk representasjon med celler mindre og viser sammenhenger mellom naboer (svart, spenning, rødt, komprimering). (B) Netto spenning T
totalt på en celle blir behandlet som en skalar verdi. Hvis cellen er under tilstrekkelig spenning som T
totale overskrider ekspansjons terskel T
e, vil den få et volum inkrement G, som deler etter volum når to ganger sin opprinnelige verdi. Hvis cellen er under nok komprimering som T
totale faller under apoptose terskelen T
a, den vil gå inn apoptose. (C-F) Snapshots av healing eller deregulerte vekstprosesser etter forstyrrelse. Tallene nedenfor snapshots identifisere tidssteg. Animasjoner kan bli funnet på nettet som støtter videoer. (C) Uten atferdsvariasjon (σ
e = 0), et sår i en monolayer helbreder raskt som cellene sprer og fylle gapet, deretter opphøre vekst. (D) Uten variasjon (σ
e = 0), mild initial overvekst forsvinner som celler ikke er i kontakt med substratet gå inn apoptose. (E) Ved variasjon (σ
e = 2), mild initial gjengroing vedvarer og sprer seg over tid. (F) Gjengroing kan reverseres og elimineres ved å påføre trykkraft til vevet. Fra tidstrinn 600, celler i simuleringen av (E) har sin verdi for T
total senkes med en mengde som er 2,0. I alle paneler, blir cellene farget blått hvis de har forpliktet seg til å divisjon (mørkere etter hvert som de kommer nærmere øyeblikket divisjon), rødt hvis de har forpliktet seg til apoptose (mørkere når de nærmer dødsøyeblikket), gul hvis de har begått til verken skjebne.
Økning i ECM stivhet i vevet resultat i et vedlegg substrat som mer effektivt motstår cellegenerert trekkrefter (dvs. i stedet for å deformere), og tilhørende mekanisk signale forbedrer celle kontraktilitet [47 ]; dette øker strekkrefter som utøves på celler for en gitt geometri. Således tilsvarer økende ECM stivhet i modellen for å senke verdiene av T
e og T
en, ved at den øker cellespenningen og forvrengning, som er ledsaget av økt celledeling og redusert apoptose for en gitt geometri [ ,,,0],13], [18], [48], [49]
Vi brukte antall celle naboer som en proxy for detaljert cellen form eller geometri. en celle i en normal plan enkeltlag (en celle høy) vil i gjennomsnitt ha 6 side naboer, mens en spesielt overfylt eller isolert kan ha betydelig mer eller mindre. Når det antall celle naboer endres på en vedvarende måte, velger celle en ny verdi av T
e og /eller T
en fra en fordeling hvis midlere er fast, men hvis varians (tatt for å være proporsjonal med en konstant σ
e eller σ
a, henholdsvis) øker med økende uregelmessige nabo teller (og dermed variabilitet av cellen form). Dermed ytre faktorer assosiert med nærmiljø geometri påvirke en celle inntreden i spredning eller apoptose, både gjennom de krefter som virker på cellen som utløser de atferd direkte, og gjennom modulering av cellens respons på disse kreftene. Modell detaljer er beskrevet fullt i Materialer og metoder.
Modellsimuleringer viser at uten populasjonsvariansen i T
e (σ
e = 0), kortvarige forstyrrelser i vev homeostase selv helbrede i at vevet mono morfologi avkastning over tid. For eksempel, såret epitel ved å fjerne celler innenfor et gitt område resulterer i sårheling som overlevende celler som kommer i kontakt ledig substrat erfaring krefter som får dem til å spre seg, flytte inn i ryddet området, og sprer til monolaget er gjenopprettet etter som veksten slås av på grunn av kompresjon celle (fig. 1C). En hyperplastisk epitel (f.eks indusert i modellen ved å legge celler på toppen av monolaget) også går tilbake til en normal monolag når unormal vekst stimulus blir fjernet som de overliggende celler forsvinne med tiden fordi den spenning de opplever fra sine naboer er for lavt for å støtte spredning eller vekst, og både celle avrunding og mangel på kontakt med substratet øke sannsynligheten for apoptose [50] (fig. 1 D). Dette tilsvarer homeostase i normale leve vev, der epitel opprettholder sin normale arkitekturen når opprørt under sårtilheling eller en midlertidig økning i vekststimulering gjennom samspill mellom biomolekylære signaler og mekaniske regulatoriske signaler som endrer celle form.
Microenvironmental uregelmessig~~POS=TRUNC resultere i en økning i variansen Form Parametere
De datasimuleringer viser også at når microenvironmental endringer i celle pakking resultat i økt varians (σ
e 0) i celle ekspansjon atferd (T
e ), er det mulig for en ellers kortvarig vekst perturbasjon til å vedvare og spredning. For eksempel kan modellen forutsier at hvis cellevekst forekommer og celle pele resultater for en eller annen grunn, så vedvarende uregulert vekst kan resultere hvis det er betydelig populasjonsvariansen i T
e på grunn av dannelsen av en uregelmessig mikromiljøet som endrer variasjon av celle form i monolaget. Nærmere bestemt, kan økningen i celle naboer i områder av cellen peling anført noen av disse celler til å uttrykke unormalt lave ekspansjons terskler, noe som resulterer i deregulert vekst og uorden av normal epitelial morfologi som minner om tidlige neoplastiske lesjoner (fig. 1E). Disse simuleringene dermed øke muligheten for at fremveksten av økende variasjon i celle-celle-kontakter, og nær beslektede forandringer i celleform parametre forårsaket av en stimulans for cellevekst, kunne mate tilbake for ytterligere å akselerere prosessen med vev uorden, noe som resulterer i krefttransformasjonen og uregulert celleekspansjon.
er interessant at en nyere studie demonstrerte fenotypiske reversering av maligne bryst epitelceller til en mer normal fenotype når vevet ble utsatt for en trykkraft [11]. Viktigere, gjør vår simuleringsmodell samme prediksjon: økende press på alle cellene vil fortrinnsvis påvirke de innenfor en svulst-lignende vekst, hvor cellepakketetthet er høyere og trykket er allerede for høy; dermed øker presset vil først tendens til å skyve disse cellene bort fra deres ekspansjon terskel, bremse og stoppe spredning. Videre medfører enda større trykk til selektiv død av celler i tumoren som den totale trykk krysser deres apoptose terskel T
en. Gjenværende celler i befolkningen som beholdt normal utvidelse terskler deretter fylle den på plass igjen, og vevet forblir sovende med en normal fenotype etterpå (Fig. 1F).
Det er viktig å merke seg at å redusere befolkningens grunnverdi av T
e i fravær av en hvilken som helst populasjon varians (σ
e = 0) vil øke likevektscellepakketettheten av monolaget [29], men det vil ikke gi opphav til ukontrollert vekst inntil T
e blir tilstrekkelig lav (fig. 2A). Økende avviket (σ
e) gjør det mulig for noen celler for å oppvise autonom vekst ved høyere utgangsverdier av T
e (fig. 2A), og således stimulerer fortrinnsvis proliferasjon i områder med uregelmessig vev morfologi (eller endrede ECM mekanikk) . I motsetning til dette apoptose terskelen T
en i modellen påvirker mengden av press-celler er i stand til å tåle før døende. Mikromiljøet relatert variasjon i T
en kan redde en cancerous fenotype fordi noen celler i unormalt fylte microenvironments uttrykke en tilsvarende økt sannsynlighet for apoptose. Dette kan produsere rydde ut og normalisering av fylt region, noe som gjør det vanskeligere for trengsel bundet uregelmessig vekst til å bli etablert og spredning (Fig. 2B). Men variasjon i T
a alene ikke gir opphav til unormal vekst i uregelmessige microenvironments. Derfor fokuserte vi på bidrag av modulerende utvidelsen terskelen T
e i denne analysen.
For ulike verdier av (A) T
e og σ
e eller (B) T
a og σ
a, piksler vise hva brøkdel av ti uavhengige simuleringseksperimenter opprettholde kontrollert morfologi for 2000 tidssteg, fra gjengroing (tid trinn 0 i figur 1D, 1E.): hvit indikerer alle løyper opprettholdt kontroll, svart tyder alt resulterte i ukontrollert vekst, med middels pikselverdier for blandede resultater. I forbindelse med disse forsøk, «kontrollert morfologi» er definert som mindre enn 100 celler skyves opp av monolaget. (A) Reduksjon T
e øker veksten og ved lave nok verdier kan resultere i kontinuerlig vekst uten variasjon (σ
e = 0). Økende variasjonen gjør autonom vekst ved høyere verdier av T
e. T
a = -3,0, σ
a = 0. (B) å øke verdien av T
en direkte eller ved å øke variasjonen σ
a øker celledød i overfylte miljøer, og kan hindre uregulert veksten skyldes miljømessige uregelmessighet fra å etablere et fotfeste under forhold hvor autonom vekst ellers ville oppstå. T
e = 0,3, σ
e = 2,0.
For å avgjøre direkte om økninger i cellevekst i levende vev endre variansen i cellen form parametere som er kritiske for relevansen av vår datamodell, analyserte vi endringer i disse morfologiske egenskaper i tidlige stadier av hyperplasi og dannelse av duktalt carcinoma in situ (DCIS) i løpet av brystkreft progresjon i transgen C3 (1) -SV40Tag mus. Transgene hunner spontant utvikle brysttumorer i løpet av en tid løpet av 8 til 20 uker gamle på en meget robust måte [51], [52]. Progresjon av kreft i disse mammary vev foregår gjennom økt vekst og tap av differensiering, som målt ved redusert ekspresjon av østrogen og progesteronreseptorer (Fig. 3A-D). Den regionale heterogenitet av vevet mikromiljøet i løpet av kreft progresjon er også tydelig i denne modellen som enkelt 16 ukers melkekjertler inneholder kanaler som viser forskjellige stadier av tumordannelse (dvs. normal, hyperplastisk og DCIS) atskilt med bare små avstander innenfor samme kjertel (fig. 4A), til tross for den identiske genetisk bakgrunn og lignende ekspresjon av SV40 stort T-transgenet [51] (fig. 3A). Denne duktalt heterogenitet ble observert hos alle dyr studert og ved alle tidspunkter ble analysert.
(A) tumorcelleformering (PCNA) og differensiering (ERα og PR) ble endret i hyperplastiske og DCIS kanaler sammenlignet med normale kanaler, mens transgenet uttrykk forble lik (SV40). Skala: 20 mikrometer. (B-D) Morfometrisk analyse av ductal heterogenitet (N, normal; H, hyperplastiske, D, DCIS). (B) epithelial cellevekst (% PCNA-positive celler) øket svakt, men betydelig i DCIS kanaler sammenlignet med normale kanaler, mens prosentandelen av celler som uttrykker (C) ERα og (D) PR redusert betraktelig i DCIS kanaler sammenlignet med normal (*
p
. 0,05)
(A) Regionale variasjoner i melke kreft progresjon observert i samme melkekjertlene isolert fra en 16-ukers gamle transgene mus. Merke til at vanlige kanaler (N), hyperplastiske rør (H) og DCIS-likner kanaler (D) kan finnes i umiddelbar nærhet i samme kjertel (Skala: 100 pm). (B) Høy forstørrelse H E stainings av normal, hyperplastisk og DCIS kanaler i 16-ukers gamle transgene hunner utheving epiteliale celle form endringene som følger kreft progresjon når cellene blir stadig pleiomorphic. (C) histogrammer som viser Youngs-moduler epitel og periductal stroma av forskjellige normale og DCIS kanalene, målt i løpet av den samme 16-ukers gamle transgene brystkjertlene ved hjelp av AFM. (D) Gjennomsnittlig stiffnesses målt i epiteliale og stromal avdelinger av normal versus DCIS kanaler innenfor de samme 16-ukers gamle kjertler (*,
p
0,05).
viktigere, ble disse regionale variasjoner i fenotype ledsaget av endringer i celle- og kjerneform (fig. 4B), samt lokale økninger i både epitelisk og stromal stivhet (fig. 4C, D). Stivhet ble målt ved anvendelse av atomkraftmikroskopi (AFM) og både fordelingsprofil for de stivheter målt (fig. 4C), og de midlere stivhetsverdiene økes betraktelig for både epitelium og stroma når normale kanaler ble sammenlignet med DCIS kanaler innenfor 16 ukers kjertler (Fig . 4D). Celle pakningstetthet økte også: celler i epitel-monolag som foret normale melkekanalene hadde et gjennomsnitt på 2,9 ± 1,1 epiteliale celle naboer (figurene 5A, B.), Når de analyseres ved histologiske seksjoner ved hjelp av datastyrte bildeanalyse. Hyperplastiske kanaler, som er karakterisert ved økt celleproliferasjon og tilstedeværelsen av celler i luminal plass, viste en økning i det midlere antall celle naboer (3,7 ± 1,2), og analyse av formen på fordelingen viste også en betydelig økning i variansen av disse dataene (
p
0,05, ensidige F-test; fig. 5A, B). Celler i DCIS kanaler, som ofte er forstørret og fullstendig fylt med tett pakkede celler, viste både den høyeste gjennomsnittlige (5,5), og størst varians (standardavvik = 1,9) i antall celle naboer, og dette nivået av variansen ble signifikant økt sammenlignet til at utstilt av celler i både normal og hyperplastiske kanaler (
p
10
-24, ensidige F-test). Således viser disse resultater støtter en nøkkel antagelse av vår simuleringsmodell, som er at økt cellevekst er assosiert med en økning i variansen av celle morfologiske parametere, som reflekteres av variasjonen i antall celle naboer, i løpet av kreft progresjon. Interessant var økningen i varians som det antall celle naboer øker i den murine modellen var meget lik den som ble observert i vår datamaskinsimulering, og likeledes den variasjon i antallet naboer øket med kreft progresjon i både murine og simuleringsmodeller (Fig . 5).
(A) Neighbor teller frekvens for normal (firkant), hyperplastisk (sirkel), og DCIS (trekant) kanaler. (B) gjennomsnitt og standardavvik for nabo teller for hver kanal klasse. (C) Avvik i nabo teller øker med tumorprogresjon, både i histologiske snitt (venstre, progresjon målt ved kanalområdet fylt) og i tilsvarende skiver fra simuleringsmodell (høyre, progresjon målt etter tid fra simuleringen start). (D) Forholdet mellom forventning og varians i nabo telle i histologiske skiver (til venstre) og tilsvarende skiver fra simuleringsmodell (til høyre). T
e = 0,125, σ
e = 0,667.
Diskusjoner
I denne studien beskrev vi en simuleringsmodell hvor økt variasjon i fenotypiske celleparametere, forårsaket av strukturelle variasjoner i vev microenvironments som endrer antall celle naboer og celleform, kan føre til vedvarende vekst patologier som er forenlig med progresjon av kreft. Ingen genetiske endring er nødvendig og transplantere et dårlig oppførsel celle inn i et normalt miljø vil gjenopprette normal oppførsel i denne modellen, som er konsistent med den observasjon at noen kreftceller stanse delende og gjennomgår normal histodifferentiation når de bringes i kontakt med normal ECM [4], [19], [20], [32], [53], eller når det er fysisk sammenpresset [11]. Selv genmutasjoner ikke er nødvendig å sette i gang denne prosessen, både redusert genetisk troskap og økt celledeling vil trolig føre til økninger i genet mutasjon priser som kunne mate tilbake til ytterligere akselerere neoplastisk transformasjonsprosessen. Dette er konsistent med den observasjon at end-stage svulster som følge av endring ECM struktur alene
in vivo plakater (for eksempel ved konstitutivt uttrykker ECM-nedverdigende enzymet stromelysin) faktisk vise genmutasjoner og kromosomavvik som er klassiske kjennetegnene ved malignitet [1].
Selv om våre resultater var et produkt av en datasimulering, histologiske og mikromekanisk analyser av melkekjertlene fra transgen C3 (1) -SV40Tag mus ved 16 ukers alder bekreftet at lokale variasjoner i brystkreft progresjon som er observert i de enkelte melkekanalene korrelerer med lokale endringer i brystvev mekanikk, så vel som økt variasjon i celleform og celle-celle-naboforhold. Viktigere, disse økningene i strukturell variasjon som forbinder med tumorprogresjon
in vivo
tilsvarer tett til variasjoner i nabo relasjoner som vi antas å påvirke atferd i vår simuleringsmodell (Fig. 5).
Praktisk talt alle tidligere arbeid på karsinogenese har fokusert på den genetiske basis av sykdommen; Det er imidlertid også viktig å forstå hvordan ikke-genetiske faktorer bidrar til kreft dannelse fordi det er nå klart at microenvironmental signaler, inkludert lokale endringer i ECM, angiogenese og den omkringliggende stroma, kan spille en like viktig rolle i kreftdannelsen og progresjon [ ,,,0],19], [34], [54], [55]. De fleste tidligere datamodeller av tumorigenesis primært fokusert på genetisk mutasjon [43], [56] eller på angiogenese og vaskularisering [39], [40], [41], [45], ofte med mål om å gjøre detaljerte kvantitative spådommer om vekst [38], [43], [46].
