Krooninen sairaus

tiivistelmä

Muutokset soluväliaineen (ECM) rakenne tai mekaniikka voi aktiivisesti ajaa syövän etenemisen; kuitenkin taustalla olevaa mekanismia ei tunneta. Täällä me tutkia, onko tämä prosessi voi välittyä muutoksia solujen muoto, joka kuitenkin nostaa geneettinen melua, koska molemmat tekijät ovat itsenäisesti osoitettu muuttavan geeniekspressiota ja indusoi solujen kohtalo kytkentä. Teemme tämän tietokoneella simulointimalli, joka tutkii vaikutusta fyysisiä muutoksia kudoksessa microenvironment olosuhteissa, joissa fyysinen muodonmuutos solujen kasvaa geeniekspression vaihtelevuuden geneettisesti identtisiä soluja. Tulosten mukaan syöpäkudoksen kasvua voidaan ajaa fyysisiä muutoksia mikroympäristössä: kun nousu solussa muodon vaihtelu johtuu kasvun riippuvaisia ​​nousuja solussa pakkaustiheys parantaa geenin ilmentymisen vaihtelua, heterogeeninen autonominen kasvu ja edelleen rakenteellisia epäjärjestyksestä voi aiheutua, ohjaten näin syövän etenemisessä kautta positiivista palautetta. Mallin parametrit, jotka johtivat tähän ennustuksen ovat sopusoinnussa kokeellisten mittausten rintarauhaskudosten jotka spontaanisti läpikäyvät syövän etenemisen siirtogeenisissä C3 (1) -SV40Tag Naarashiirille mikä ilmenee pa- jäykkyys rintarauhasen kanavat sekä progressiivinen nousu vaihtelevuus solu- solu suhteet ja niihin liittyvät solun muoto muuttuu. Nämä tulokset osoittavat mahdollisuuksia fyysisiä muutoksia kudoksen mikroympäristössä (esim muuttunut ECM mekaniikka) indusoimiseksi syöpä- fenotyypin tai nopeuttaa syövän etenemiseen klonaalisen populaation paikallisten muutoksia solujen geometria ja lisääntynyt fenotyyppinen vaihtelevuus, vaikkei geenimutaation .

Citation: Werfel J, Krause S, Bischof AG, Mannix RJ, Tobin H, Bar-Yam Y, et al. (2013) Miten muutokset soluväliaineen mekaniikan ja Gene Expression vaihtelevuus voivat yhdistyä ja Drive syövän etenemisessä. PLoS ONE 8 (10): e76122. doi: 10,1371 /journal.pone.0076122

Editor: Sui Huang, Järjestelmä- Biology, Yhdysvallat

vastaanotettu: toukokuu 23, 2013; Hyväksytty: 20 elokuu 2013; Julkaistu: 03 lokakuu 2013

Copyright: © 2013 Werfel et al. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään.

Rahoitus: Tämä työ tukivat DOD Breast Cancer Innovator Award (BC074986 DEI), DOD Breast Cancer Multi-Team Award (W81XWH-10-1-0565 DEI), joka on Susan G. Komen tutkijatohtorin (KG101329 SK), ja Wyss instituutin Biologisesti innoittamana Engineering Harvardin yliopistossa. Rahoittajat ollut mitään roolia tutkimuksen suunnittelu, tiedonkeruu ja analyysi, päätös julkaista tai valmistamista käsikirjoituksen.

Kilpailevat edut: Kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

Syöpä on yleisesti ajateltu geneettinen sairaus, joka johtuu sarjasta geenin mutaatioita, jotka purkamaan solujen kasvua ja johtaa neoplastisten muutosta. Vaikka geenimutaatioita edistää Karsinogeneesin viimeaikainen työ on paljastanut, että muutokset kudoksessa mikroympäristössä voi myös aloittaa ja ajaa syövän muodostumisen. Esimerkiksi rintasyöpä muodostuminen voidaan saada aikaan siirtogeenisiä hiiriä, joita ilmentävät konstitutiivisesti geeni, joka koodaa entsyymiä, joka hajottaa selektiivisesti soluväliaineen (ECM) [1], ja päinvastoin, joitakin syöpäsoluja voidaan indusoida lopettaa lisääntyvät ja erilaistuvat yhdistämällä ne normaali ECM [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Rintasyöpä eteneminen on myös mukana progressiivinen nousu ECM jäykkyys, ja rintasyövän kasvua voidaan valikoivasti nopeutetun tai hidasti vastaavasti lisäämällä tai vähentämällä ECM ristisidoksia

in vivo

[9], [10]. Viime aikoina, rintasyöpä solujen on myös osoitettu tehtävä fenotyypin palautuminen in vitro, kun fyysisesti puristetaan [11]. Mutta vaikka kuinka tärkeää on fyysisen luonteen kasvain microenvironment on nyt hyvin arvostettu, mekanismi, jolla nämä muutokset saattavat ajaa (tai taaksepäin) syövän muodostumisen jää epäselväksi.

aloitti tämän tietokonemallintaminen tutkimus perustuu havaintoon että ei-geneettiset tekijät myös ratkaiseva rooli hallita solujen kohtaloa ja käyttäytymistä. Yksi keskeinen ympäristötekijä on solu muoto [12], joka muuttaa geenien ilmentyminen ja säätelee solujen kohtaloa vaihtamisesta kasvua, erilaistumista ja apoptoosia [13], [14], [15], sekä eri kantasoluja suvusta [16] , [17]. Cell muoto on puolestaan ​​ohjataan muutokset mekaanisia voimia, jotka tasapainottavat välinen solun supistuvien solun tukirangan ja sen ulkopuolella adhesions ECM ja muihin soluihin [13], [14], [15]. Siten vaihtelut ECM rakenteessa tai mekaniikkaan voi muuttaa solun kohtalon kytkentä ja vaikuttaa kudoksen morfogeneesiin muuttamalla voimatasapaino solujen välillä ja ECM, tuottaen siten paikallista solun muodon vääristymistä. Lisäksi keinotekoisesti häiritsevät solun voimatasapaino tukahduttamalla cytoskeletal jännitteitä sukupolven kuluessa kehittää epiteelin voi johtaa sekavaa solu-suhteet, jotka matkivat niitä havaittu alkuvaiheessa kasvaimen muodostumisen [18]. Näin ollen on ehdotettu, että muutokset fyysisessä solujen välisiä vuorovaikutuksia ja ECM voi aktiivisesti ajaa tai nopeuttaa kasvaimen muodostumisen muuttamalla solun muoto [19], [20]. Mutta mitään nousua solujen lisääntymisen liitetään lisäys solujen pakkaustiheys että pitäisi pakata solut ja siten tukahduttaa niiden kasvua. Ja niin on epäselvää, miten muutokset ECM mekaniikka tai solun muodon vääristyminen voisi ajaa syövän muodostumisen.

Tietokonesimulaatiot perustuu dynaamiseen Boolen verkkojen ja kokeelliset tulokset osoittavat, että eri solukohtaloina että tietty solu voi esiintyä (esim kasvuun, erilaistumiseen, apoptoosin) edustavat esiohjelmoidun yhteisiä lopussa ohjelmia tai ”attractors”, joka itse järjestää sisällä solun säätelyverkkoja [14], [21], [22]. Tämäntyyppisessä dynaamisen verkon malli tietojenkäsittelyn, yleistynyt ärsykkeet, kuten mekaanisia voimia, ja erityisiä molekyyli vihjeiden tuottaa signaaleja, jotka johtavat solujen noudattaa erilaisia ​​liikeratoja, jotka lopulta lähenevät yhdelle pieni joukko yhteisiä pää ohjelmien (esim kasvu tai erilaistuminen). Lisäksi, koska ohjattu solun käyttäytymistä liittyy valikoima jo olemassa olevien käyttäytymiseen tilaa solun, kytkentä voidaan myös indusoida geneettisen kohinaa (eli stokastinen vaihtelut geenien ilmentyminen). Geenien ilmentyminen stokastisuuden säännellään siirtymistä eri kohtalot sillä vaikka verkko dynamiikkaa ohjaa tiettyihin ärsykkeisiin ajavat yleensä solun paikallista attractor tilassa avaruudessa, siirtymät attractors voi esiintyä kohinaa työntää solu pois yhden altaan vetovoima ja toiseen [23 ]. Ympäristö: n vaikutus näihin siirtymiä voidaan ymmärtää esiintyviä säätelemällä kohinan amplitudi [21], [24]. Tärkeys näiden ei-geneettiset tekijät korostavat kokeet osoittavat ei-geneettisen vaihtelevuuden klonaalisia soluja [25], [26], [27], joka heijastaa stokastiset geenin ilmentymistä [25], [26], [28] ja vastauksia eri mikroympäristöihin [26], [27], [29].

Mikä tärkeintä, morfologiset menetys säännöllisyyttä solujen muoto ja sijainti on tunnusmerkki syövän etenemisen [29], ja kasvainten muodostumisen mukana on progressiivinen menetys normaali muodosta riippuvainen valvonnan solujen kasvua, erilaistumista ja selviytyminen [27], [29], [30], [31], [32]. Lisäksi uskollisuus geneettisen ohjaus näyttää tiukasti kytketty ydin- ja kromatiinirakenteeseen, jotka puolestaan ​​ovat herkkiä solun tukirangan rakennetta ja solujen muodon asetus [33], [34], [35]. Niinpä nousu solussa muotovaihtelun että mukana alkuvaiheessa kasvaimen muodostumisen voi mahdollisesti toimia aktiivisesti solukohtalon siirtymisistä ajaa syövän synty sekä hyödyntämällä mekaanisen signalointireittejä ja tehostamalla geneettinen vaihtelu.

Driven by Näiden seikkojen käytimme tietokonesimulaatio malli tutkia korotukset varianssi solussa morfologinen parametrien muutosten aiheuttamat ECM rakenteessa tai mekaniikka voisi aktiivisesti ajaa syövän etenemistä lisäämällä geneettinen kohina (geeniekspression vaihtelu) on muuttunut mikroympäristössä. Nämä mallinnus tutkimukset osoittivat, että vapauttaminen normaaliin säätelyyn solujen käyttäytymisen vuoksi myös rakenteellisia väärinkäytöksiä kudoksessa mikroympäristössä voi aiheuttaa positiivista palautetta silmukka, joka edelleen horjuttaa kudoksen rakenne, kiihtyvä neoplastisen transformaation ja johtavat esteetöntä kasvua. Histologinen tutkimukset hiiren siirtogeenisiä rintasyöpä malli tukemaan päätelmiä, ja osoittavat, että syövän etenemisessä liittyy progressiivinen nousu vaihtelevuutta solun muodon ja solu-solu suhteet, jotka meidän malli ennustaa edistäisi esteetöntä kasvua.

tulokset

Computational malli Tissue Homeostasis

solut ja kudokset jokainen elin on tunnusomaisia ​​kolmiulotteisia (3D) muotoja, jotka ovat erittäin säännöllinen muodossa, kun taas solujen ja kudosten muoto vähitellen sekavaa aikana kasvaimen muodostumisen ja syövän etenemistä. Yksittäiset solut esiintyy myös eri toimintoa sen mukaan, missä määrin ne fyysisesti ulottuvat: yleensä, kiinnittymisestä riippuvaisten solujen kasvaa levitessään, ja ne sammutetaan ja apoptoosiin kun tiivis, pyöreä tai irtoavat kiinnikkeistä, vaikka viljellään läsnä kyllästää pitoisuuksia liukoista kasvutekijät [13]. Hypoteesi keskitymme tässä työssä on, että väärinkäytöksiä solun paikallinen kudosympäristö voi johtaa lisääntyneeseen vaihtelua muotoaan, mikä voi myös heikentää uskollisuus solujen geneettinen valvonta ja siten johtaa lisääntyneeseen vaihtelevuus sen vastauksissa fyysisten voimien että laki sitä ohjaus sen kasvun ja kannattavuuden.

Näin mallissamme kudoksen muodon asetuksen fenotyyppiset parametri keskitymme on solun käyttäytymisen vaihtelevuus, mitattuna sen taipumus kasvaa vastauksena fyysiseen aiheuttama jännitys muodon vääristymistä. Tämä vaihtelu muuttuu funktiona fyysisen tekijöitä solun microenvironment jotka muuttavat muotoaan, erityisesti määrä naapureita se kontakteja, joka muuttuu solupopulaation tiheys ja järjestely. Malli rakennetaan niin, että solujen kasvun ja apoptoosin ovat tiukasti säännelty voimat solun (esim tiivistyminen luotettavasti tukahduttaa kasvua ja lisää apoptoosin), kun solu on ”terve” mikroympäristölle [13], kun taas väärinkäytöksiä fyysisessä mikroympäristössä häiritä että asetusta lisäämällä väestön vaihtelua solujen käyttäytymisreaktioita fyysistä jännitystä tai painetta. Tarkoituksena oli tutkia, nämä tekijät yksinään voi johtaa solujen määrä ja kudoksen massan ajan kuluessa ilman geneettinen mutaatio esiintyy missä tahansa solussa.

Simulointimalleja syövän synnyn ja kasvaimen kasvua tutkitaan aiemmin ovat tarkennettu eri tasoilla, jotka vaihtelevat yksittäisistä soluista [36], [37], [38], [39] irtotavarana kudoksiin [40], [41], [42], [43], [44], [45]. Koska asiaan kokoluokkaa ja keskeinen merkitys vaihtelun sisällä solupopulaatioiden tutkimuksessamme, päätimme rakentaa meidän simulointi aineena perustuva malli jokaisen asiamies erillisen solun, pikemminkin kuin suurin malli jatkuvan kudosta. Tärkeys voimien perustuu solujen suhteellisen paikoissa sanelee off-ristikko [36], [37] eikä soluautomaatti (CA) malli [38], [46], jotta solut voivat olla mielivaltainen jatkuva-arvo kantoja eikä niinkään pakko erillisissä kohdissa.

yli 90% syövistä on epiteelin luonteeltaan rakensimme meidän tietokone simulointimalli edustaa solujen 3D Planar epiteelin. Mallissa, solut toimivat kuten muotoutuva liima aloilla tasomaiselle liima alustaan ​​(Fig. 1A). Jokainen solu kokee voima kustakin naapureihinsa, ikään kuin keskukset kahden solut yhdistetty jousi, jonka lepopituus perustuu solun kokoa. Alustan myös kykenee voimat soluihin: pystysuunnassa mallintaa liitetiedoston, ja vaakasuoraan jos solu rajoilla tyhjää aluetta tyhjillään alustan, mallintaa tapaa solu leviää tällaisessa tapauksessa. Nettovoima säätelee solun liikkumista 3D-tilassa. Ulospäin voimat solussa on rekisteröity jännitys, sisäänpäin niitä kuin puristus. Netto jännitystä solu, T

yhteensä, säätelee sen taipumusta kasvun tai apoptoosin (Fig. 1 B); solu kovempaan jännityksen on lisääntynyt todennäköisyys kasvun, kun taas suurempi puristus lisää mahdollisuuksia apoptoosin [13]. Ominaista jännitykseen, jolla solu pyrkii siirtymään liikkumattomuus kasvuun on kutsutaan tässä

laajennus kynnys

(T

e). Jos T

summa ylittää T

e aikana aika-askel, solu tuo lisäys G sen tilavuuteen; kun solu saavuttaa kahdesti sen alkuperäisestä määrästä (kautta reiterative lisäykset G ajan), se sitoutuu jako kahteen soluja, jotka sisältävät kukin alkuperäisestä tilavuudesta. Jos T

koko laskee alle

apoptoosin kynnys

T

a, solun sitoutuu apoptoosin. Kun solu on sitoutunut joko kohtalo, se odottaa vielä aikaa τ

e tai τ

A ja sitten välittömästi jakaa tai katoaa, vastaavasti.

(A) Kaksi esityksiä solujen mallissa aikana staattisen tasapainon: (vasen) tilaa täyttö kulmittain, (oikealla) kaavamaisesti soluilla pienempiä ja osoittaa yhteyksiä naapureihin (musta, jännitys, punainen, puristus). (B) toinen nettojännitysarvon T

loppusumma solu käsitellään skalaariarvon. Jos solu on alle riittävän jännityksen että T

summa ylittää laajennus kynnyksen T

e, se saa tilavuuden kasvu G, jakamalla kun määrä ylittää kaksi kertaa sen alkuperäisestä arvosta. Jos solu on alle tarpeeksi pakkauksen T

koko alittaa apoptoosin kynnyksen T

a, se tulee apoptoosin. (C-F) Yksittäiskuvat paranemista tai vapautettu kasvuprosesseissa jälkeen hämminki. Numeroita otoksia tunnistaa aika askel. Animaatiot löytyy netistä tukevan videoita. (C) Ilman käyttäytymisen vaihtelevuus (σ

e = 0), haava yksikerroksinen paranee nopeasti solut lisääntyvät ja paikataan, niin lakkaa kasvu. (D) Ilman vaihtelevuus (σ

e = 0), lievä alustava liikakasvua katoaa kuin solut eivät ole kosketuksissa alustaan ​​tulevat apoptoosin. (E) kanssa vaihtelu (σ

e = 2), lievä alustava overgrowth jatkuu ja leviää ajan myötä. (F) Overgrowth voidaan kääntää ja poistaa soveltamalla puristusvoiman kudokseen. Alkaen kertaa vaiheessa 600, soluja simulointi (E) ovat niiden arvo T

yhteensä alennetaan määrällä 2.0. Kaikissa paneelit, solut sävytetty sininen, jos ne ovat sitoutuneet jako (tummempi kuin he saavat lähemmäs hetki jako), punainen, jos ne ovat sitoutuneet apoptoosin (tummempi, kun ne lähestyvät kuoleman hetkellä), keltainen, jos he ovat sitoutuneet kumpaankaan kohtalo.

Kohonneita ECM jäykkyys kudoksessa johtaa liitetiedostona alustaan, joka tehokkaammin vastustaa cell luomaa vetovoimaa (eli sijasta muotoaan), ja niihin liittyvät mekaaniset signalointi tehostaa solun contractility [47 ]; tämä lisää vetovoimat kohdistuvat solujen tietyn geometrian. Niinpä lisäämällä ECM jäykkyys vastaa mallin arvoja alaspäin T

e ja T

a, että se lisää solujen jännitystä ja vääristymiä, johon liittyy lisääntynyt solunjakautumisen ja laski apoptoosin tietyn geometrian [ ,,,0],13], [18], [48], [49].

Käytimme määrää solun naapurit joka ilmaisee yksityiskohtaisia ​​solujen muoto tai geometria: solun normaalissa Planar yksikerroksista (yhden solun korkea) tulee on keskimäärin 6 sivusuunnassa naapureita, kun taas yksi erityisen tungosta tai yksittäisiä voi olla huomattavasti enemmän tai vähemmän. Kun määrä solun naapurit muuttuu jatkuvasti tavalla, solu valitsee uuden arvon T

e ja /tai T

jakaumasta, jonka keskiarvo on kiinteä mutta joiden varianssi (käsitetään verrannollinen vakio σ

e tai σ

a, tässä järjestyksessä) kasvaa yhä epäsäännöllistä naapurin laskee (ja siten vaihtelevuutta solun muoto). Täten ulkoisten tekijöiden liittyy lähiympäristöön geometrian vaikuttavat solun tuloa lisääntymistä tai apoptoosia, molemmat läpi voimia solu jotka laukaisevat nämä käyttäytymistä suoraan, ja mukauttamisella solun vastaus niitä voimia. Malli yksityiskohdat kuvataan täysin Materiaalit ja menetelmät.

Mallisimuloinnit paljasti, että ilman väestö varianssia T

e (σ

e = 0), lyhytikäinen häiriöitä kudosten homeostaasin itse- parantua, että kudoksessa yksikerroksista morfologia palaa ajan myötä. Esimerkiksi haavoittaen epiteelin poistamalla solut tietyllä alueella johtaa haavan selviytyvän soluja, jotka koskettavat tyhjillään alustan kokemus voimia, jotka aiheuttavat niitä levittää, siirtyä tyhjennetty, ja lisääntyvät kunnes yksikerroksista palautuu, jonka jälkeen kasvu sammuu johtuu solun puristus (Fig. 1 C). Hyperplastinen epiteelin (esim aiheutettiin mallissa lisäämällä solujen päälle yksikerroksisen) myös palautuu normaaliin yksikerroksista kun epänormaali kasvu ärsyke on poistettu, koska päällä solut häviävät ajan myötä, koska jännitys he kokevat niiden naapureiden on liian alhainen tukeen leviäminen tai kasvua, ja molemmat solu- pyöristys ja puute kosketukseen alustan lisätä todennäköisyyttä apoptoosin [50] (Fig. 1 D). Tämä vastaa homeostaasin normaaleissa elävä kudoksissa, jossa epiteelin säilyttää normaalin arkkitehtuurin kun levoton haavan paranemisen aikana tai väliaikaisen kasvun kasvun stimulaation kautta vuorovaikutusta biomolekyylitason ja mekaanisia sääntelyn vihjeitä, jotka muuttavat solun muodossa.

Microenvironmental Väärinkäytökset jotka suurentavat varianssi lomakeparametrit

tietokonesimulaatiot paljasti myös, että kun microenvironmental muutoksia solujen pakkaus johtavat kasvaneeseen varianssi (σ

e 0) solussa laajennus käyttäytyminen (T

e ), on mahdollista, muutoin lyhytikäinen kasvu häiritseekin säilyä ja levitä. Esimerkiksi malli ennustaa, että jos solu liikakasvua tapahtuu ja solu kasaamalla tuloksia jostain syystä, niin jatkuva säätelemätön kasvu voi johtaa, jos on merkittävä populaatio varianssia T

e johtuen luomiseen epäsäännöllinen mikroympäristön joka muuttaa vaihtelevuutta solun muokkaavat yksinkertaisessa kerroksessa. Erityisesti kasvu solussa naapurit alueilla solun paalutuksen voi johtaa joidenkin solujen ilmaista poikkeuksellisen alhainen laajennus kynnykset, jolloin vapautetuilla kasvun ja epäjärjestyksestä normaalin epiteelin morfologia, joka muistuttaa varhaisen neoplastisia vaurioita (Fig. 1 E). Nämä simulaatiot siten esiin mahdollisuuden, että syntyminen yhä vaihtelua solu-yhteydet, ja läheistä sukua muutoksia solujen muotoparametrien aiheuttama ärsyke solujen liikakasvua, voisi syöttää takaisin entisestään nopeuttaa kudoksen epäjärjestyksestä, jolloin syöpä transformaatio ja sääntelemätöntä solujen laajentamiseen.

Mielenkiintoista, tuore tutkimus osoitti fenotyypin palautuminen pahanlaatuisten rinnan epiteelisolujen entistä normaalin fenotyypin, kun kudos saatettiin puristusvoima [11]. Tärkeää on, meidän simulointimalli tekee saman ennustus: kasvava paine kaikki solut valikoivasti vaikuttaa ne sisällä kasvaimen kaltainen kasvu, jossa solu pakkaustiheys on korkeampi ja paine on jo liian korkea; mikä lisää painetta ensin työntävät nämä solut pois niiden laajentamisen kynnys, hidastaa ja pysäyttäminen lisääntymistä. Lisäksi on vielä suurempi paine johtaa selektiivinen solujen kuolema tuumorin koko paine ylittää niiden apoptoosin kynnyksen T

a. Jäljellä solujen populaation, joka säilytti normaali laajentuminen kynnysarvot sitten asuttaa tilaa jää taakse, ja kudos pysyy lepotilassa normaali fenotyyppi sen jälkeen (Kuva. 1 F).

On tärkeää huomata, että vähentämällä väestön perusarvosta T

e puuttuessa populaation varianssi (σ

e = 0) kasvaa tasapainotilan solun pakkautumistiheydestä yksikerroksista [29], mutta se ei aiheuta hallitsematon kasvu kunnes T

e tulee riittävän alhainen (Fig. 2A). Lisääntyvä varianssi (σ

e) mahdollistaa joissakin soluissa esittelemään autonominen kasvu suuremmilla perusarvoja T

e (Fig. 2A), ja täten stimuloi ensi sijassa lisääntymistä alueilla epäsäännöllisen kudosmorfologia (tai muutettu ECM mekaniikka) . Sen sijaan apoptoosi kynnys T

A malli määrään vaikuttaa paine-solut kykenevät kestämään ennen kuolemaansa. Microenvironment liittyvää vaihtelua T

purkissa pelastamaan syöpä fenotyyppi koska jotkut solut oleva poikkeuksellisen tungosta mikroympäristöihin ilmaista vastaavasti lisääntynyt todennäköisyys apoptoosin. Tämä voi tuottaa tyhjentämistä ja normalisoimiseen tungosta alueella, mikä vaikeuttaa syrjäyttämisen liittyvät epäsäännöllistä kasvua vakiintuminen ja leviäminen (Fig. 2B). Kuitenkin vaihtelu T

ei yksin aiheuta epänormaalia kasvua epäsäännöllinen mikroympäristöihin. Niinpä olemme keskittyneet panoksesta moduloivan laajentamisen kynnys T

e tässä analyysissä.

eri arvoja (A) T

e ja σ

e tai (B) T

A ja σ

a, pikseliä näyttää mitä osa kymmenestä itsenäisestä Simulointikokeiden hallittu morfologia 2000 aika-askelia, alkaen liikakasvusta (aika vaihe 0 kuvassa. 1D, 1E): valkoinen osoittaa kaikissa ajoissa ylläpitää ohjaus, musta merkitsee kaikki johtivat hallitsematon kasvu, joiden välissä on pikselien arvojen vaihtelevia tuloksia. Sillä Näissä kokeissa ”säädetty morfologia” määritellään alle 100 solua työntyy ylös yksikerroksisen. (A) vähentäminen T

e lisää kasvua ja riittävän alhainen arvot voivat johtaa jatkuvaan kasvuun ilman vaihtelua (σ

e = 0). Lisääntyvä vaihtelevuus mahdollistaa autonominen kasvu suuremmilla arvoilla T

e. T

a = -3.0, σ

a = 0. (B) lisääminen arvoa T

suoraan tai lisäämällä vaihtelu σ

à lisää solukuolemaa tungosta ympäristöissä, ja voivat ehkäistä sääntelemätöntä kasvu johtuu ympäristön väärinkäytös vahvistamasta jalansijaa olosuhteissa, joissa autonominen kasvu muutoin tapahtuisi. T

e = 0,3, σ

e = 2,0.

Sen määrittämiseksi suoraan, onko nousu solujen kasvua elävissä kudoksissa muuttaa varianssi solussa muotoparametrien jotka ovat kriittisiä merkitystä meidän tietokonemallin, analysoimme muutoksia näissä morfologisia ominaisuuksia aikana alkuvaiheissa liikakasvun ja muodostumisen duktaalikarsinooma in situ (DCIS) aikana rintasyövän etenemisen siirtogeenisissä C3 (1) -SV40Tag hiirillä. Siirtogeeniset naaraat spontaanisti kehittää nisäkasvaimia yli ajan kuluessa 8-20 viikkoa iässä hyvin lujaotteisesti [51], [52]. Syöpä progressio havaittiin rintarauhaskudosten tapahtuu lisäämällä kasvun ja erilaistumisen häviäminen, mitattuna väheni ilmaus estrogeenin ja progesteronin reseptoreihin (kuviot. 3A-D). Alueellinen heterogeenisuus kudoksen microenvironment aikana syövän etenemisessä näkyy selvästi myös tässä mallissa yksittäisinä 16 viikkoa rintarauhasiin sisältävät kanavat, jotka näyttävät eri vaiheissa kasvaimen muodostumisen (eli normaali, hyperplastic ja DCIS) erottaa vain pieniä matkoja saman rauhanen (Fig. 4A), vaikka sama geneettinen tausta ja vastaava ilmaisu SV40 suuri T siirtogeenin [51] (Fig. 3A). Tämä ductal heterogeenisuus havaittiin tutkituista eläimistä ja kaikkina ajankohtina analysoitiin.

(A) kasvainsoluproliferaation (PCNA) ja erilaistumista (ERa ja PR) on muutettu hyperplastic ja DCIS kanavat verrattuna normaaliin kanaviin taas muuntogeeniekspression pysyi samanlainen (SV40). Mitta-asteikko: 20 um. (B-D) morfometrinen analyysi ductal heterogeenisuus (N, normaali, H hyperplastinen; D, DCIS). (B) epiteelisolujen kasvuun (% PCNA-positiivisia soluja) kasvoi hieman, mutta merkittävästi DCIS kanaviin verrattuna normaaliin kanaviin taas ekspressoivien solujen prosenttiosuus (C) ERa ja (D) PR vähentynyt merkittävästi DCIS kanaviin verrattuna normaaliin (*

p

0,05).

(A) Alueelliset vaihtelut rintasyöpä etenemistä havaittiin samassa maitorauhasen eristettiin 16 viikon ikäisten siirtogeenisen hiiren. Huomaa, että normaali kanavat (N), hyperplastisessa kanavat (H) ja DCIS: n kaltaisen kanavat (D) löytyy lähellä samassa rauhanen (asteikko bar: 100 pm). (B) Korkea suurennos H 0,05).

Mikä tärkeintä, nämä alueelliset vaihtelut fenotyypin liittyi muutoksia solujen ja ydinvoiman muoto (Fig. 4B), sekä paikalliset lisäykset sekä epiteelin ja strooman jäykkyys (Fig. 4C, D). Jäykkyys mitattiin atomivoimamikroskooppi (AFM) ja sekä jakelun profiilia jäykkyydet mitattuna (Fig. 4C) ja keskimääräinen jäykkyys arvot nousivat merkittävästi sekä epiteelin ja strooman kun normaali kanavat verrattiin DCIS kanaviin 16 viikon kuluessa rauhaset (kuvio . 4D). Cell pakkaus tiheydet kasvoivat myös: solujen epiteeliyksiker- että vuorattu normaalin rintarauhasen kanavat oli keskimäärin 2,9 ± 1,1 epiteelisolujen naapureita (kuviot. 5A, B), kun analysoidaan histologisia kohdissa käyttäen atk kuva-analyysiä. Hyperplastinen kanavat, joille on tunnusomaista lisääntynyt solujen proliferaatio ja läsnäolo solujen luminaalinen tilaan, osoitti kasvua keskimääräinen lukumäärä solun naapurit (3,7 ± 1,2) ja analyysi jakauman muodon paljasti myös merkittävä kasvu varianssi näiden tietojen (

p

0,05, yksisuuntainen F-testi; kuviot. 5A, B). Solujen DCIS kanavat, jotka ovat usein laajennettu ja täysin täyttää tiiviisti pakattuja soluja, osoitti sekä korkein keskiarvo (5,5) ja suurin varianssi (keskihajonta = 1,9) lukumäärän solun naapureita, ja tämän tason vaihtelu oli merkittävästi lisääntynyt verrattuna kyseiseen näytteillä solut sekä normaali hyperplastic kanavat (

p

10

-24, yksisuuntainen F-testi). Niinpä nämä tulokset tukevat keskeiseen oletukseen meidän simulointimalli, jonka mukaan lisääntynyt solujen kasvua liittyy nousu varianssi solun morfologiset parametrien, heijastuu määrä vaihtelee solun naapurit aikana syövän etenemisessä. Mielenkiintoista, kasvu eriäviä määrän solun naapurit kasvaa hiirimallissa oli hyvin samanlainen kuin meidän tietokonesimulaatio, ja samalla varianssi määrän naapurien kasvoi syövän etenemisen sekä hiiren ja simulointimallit (kuvio . 5).

(A) Naapuri count taajuus normaali (neliö), hyperplastisessa (ympyrä), ja DCIS (kolmio) kanavat. (B) keskiarvo ja keskihajonta naapuri laskea kunkin kanavan luokassa. (C) Vaihtelu naapurin count kasvaa syövän etenemiseen sekä histologisia viipaleita (vasen, eteneminen mitataan kanavan alue on täynnä) ja vastaava siivuja simulointimalli (oikealla, eteneminen mitataan aika simuloinnin alusta). (D) välinen suhde keskiarvo ja varianssi naapurin lasketa histologisia viipaleet (vasemmalla) ja vastaavat siivuja simulointimalli (oikealla). T

e = 0,125, σ

e = 0,667.

Keskustelu

Tässä tutkimuksessa olemme kuvattu simulointimalli, jossa vaihtelevampaa fenotyyppisten soluparametreista, aiheuttamat rakenteelliset vaihtelut kudoksessa mikroympäristöihin jotka muuttavat määrä solun naapurien ja solujen muoto, voi johtaa kestävään kasvuun sairauksista, jotka ovat yhdenmukaisia ​​syövän etenemisessä. Ei geneettinen muutos on välttämätön ja istuttamisen Virheellisesti toimivan solun normaalissa ympäristössä palauttaa sen normaaliin käyttäytymiseen tässä mallissa, joka on yhdenmukainen sen havainnon kanssa, että jotkut syöpäsolut lopettaa jakamalla ja läpikäyvät normaalin histodifferentiation kun tuodaan kosketukseen normaalin ECM [4], [19], [20], [32], [53] tai kun fyysisesti pakattu [11]. Vaikka geenimutaatioita ei tarvitse aloittaa prosessin, sekä vähentynyt geneettinen uskollisuutta ja lisääntynyt solujen lisääntymistä todennäköisesti lisäävän geenimutaatio hinnat, jotka voivat syöttää takaisin edelleen nopeuttaa neoplastisen muutosprosessia. Tämä on johdonmukaista sen havainnon kanssa, että loppuvaiheen kasvaimia, jotka johtuvat muuttamalla ECM rakenne yksin

in vivo

parantamiseksi (esimerkiksi ilmentävät konstitutiivisesti ECM-hajottavaa entsyymiä, stromelysiini) todella näytteille geenimutaatioita ja kromosomipoikkeavuuksien jotka ovat klassisia tunnusmerkkejä maligniteetin [1].

Vaikka tulokset olivat tuotteen tietokonesimulaatio, histologisia ja mikromekaaninen analyysit rintarauhasiin siirtogeenisestä C3 (1) -SV40Tag hiirillä 16 viikon iässä vahvisti, että paikalliset vaihtelut rintasyöpä etenemistä, joita havaitaan yksittäisissä rintarauhasen kanavat korreloivat paikallisten muutosten rintarauhaskudoksessa mekaniikka sekä vaihtelevampaa solujen muoto ja solu-solu naapuri suhteita. Mikä tärkeintä, nämä korotukset rakenteellinen vaihtelevuus jotka liittävät syövän etenemiseen

in vivo

vastasi läheisesti vaihtelut naapuri suhteita, jotka meidän oletetaan vaikuttavat käyttäytymiseen meidän simulointimalli (Kuva. 5).

Lähes kaikki aiemmat työt karsinogeneesin on keskittynyt geneettisen perustan taudin; kuitenkin, se on myös tärkeää ymmärtää, miten ei-geneettiset tekijät syövän muodostumisen koska nyt on selvää, että microenvironmental vihjeitä, mukaan lukien paikalliset muutokset ECM, angiogeneesi ja ympäröivän strooman, voi olla yhtä tärkeä rooli syövän muodostumisen ja etenemisen [ ,,,0],19], [34], [54], [55]. Useimmat edellinen tietokonemallit tumorigeneesin keskittyy pääasiassa geneettinen mutaatio [43], [56] tai angiogeneesiin ja verisuonten muodostumista [39], [40], [41], [45], usein tavoitteena on tehdä yksityiskohtainen määrällinen ennusteet kasvusta [38], [43], [46].