PLoS ONE: Hvordan Ændringer i Ekstracellulære Matrix Mekanik og Gene Expression Variabilitet Might Kombiner til Drive Cancer Progression

Abstrakt

Ændringer i ekstracellulære matrix (ECM) struktur eller mekanikere kan aktivt drive kræft progression; dog den underliggende mekanisme er stadig ukendt. Her har vi undersøge, om denne proces kunne medieres af ændringer i celleform, der fører til stigninger i genetisk støj, idet begge faktorer har uafhængigt vist sig at ændre genekspression og inducere celle skæbne switching. Vi gør dette ved hjælp af en computer simulation model, der udforsker effekten af ​​fysiske ændringer i vævet mikromiljø under betingelser, hvor den fysiske deformation af celler øger genekspression variation blandt genetisk identiske celler. Modellen afslører, at kræft vækst væv kan drives af fysiske ændringer i mikromiljøet: når stigninger i celleform variabilitet skyldes vækst-afhængige stigninger i celle pakningstæthed forbedre genekspression variation, heterogen autonom vækst og yderligere strukturelle disorganisation kan resultere, for derved at drive cancer progression via positiv feedback. Modelparametrene der førte til denne forudsigelse er i overensstemmelse med eksperimentelle målinger af brystvæv, som spontant undergår cancer progression i transgen C3 (1) -SV40Tag hunmus, der udviser forøget stivhed af brystkirtler kanaler samt tiltagende øgning variabilitet celle- celle relationer og tilhørende celle form ændringer. Disse resultater viser potentialet for fysiske ændringer i vævet mikromiljø (f.eks, ændrede ECM mekanik) for at inducere en kræft fænotype eller accelerere udviklingen af ​​kræft i en klonal population gennem lokale ændringer i celle geometri og øget fænotypiske variation, selv i fravær af genmutation .

Henvisning: Werfel J, Krause S, Bischof AG, Mannix RJ, Tobin H, Bar-Yam Y, et al. (2013), hvordan ændringer i ekstracellulære matrix Mekanik og Gene Expression Variabilitet Might Kombiner til Drive Cancer Progression. PLoS ONE 8 (10): e76122. doi: 10,1371 /journal.pone.0076122

Redaktør: Sui Huang, Institut for Systembiologi, USA

Modtaget: 23. maj 2013; Accepteret: August 20, 2013; Udgivet: 3 oktober 2013

Copyright: © 2013 Werfel et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Dette arbejde blev understøttet af 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 postdoc stipendium (KG101329 til SK), og den Wyss Institute for Biologisk inspireret Engineering på Harvard University. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Kræft er almindeligvis opfattes som en genetisk sygdom, der skyldes en række genmutationer, der deregulere cellevækst og føre til neoplastisk transformation. Mens genmutationer bidrager til carcinogenese, har nyligt arbejde vist, at ændringer i vævet mikromiljø også kan starte og køre cancer formation. For eksempel kan brystkræft dannelse induceres i transgene mus ved konstitutivt udtrykker et gen, der koder for et enzym, som selektivt nedbryder ekstracellulære matrix (ECM) [1], og omvendt nogle kræftceller kan induceres til at ophøre proliferere og differentiere ved at kombinere dem med normal ECM [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Brystkræft progression er også ledsaget af en tiltagende øgning af ECM stivhed, og brystkræft vækst kan selektivt fremskyndet eller bremset af henholdsvis stigende eller faldende ECM krydsbinding

in vivo

[9], [10]. For nylig brystcancerceller også har vist sig at undergå en fænotypisk reversion in vitro, når fysisk komprimeret [11]. Men mens betydningen af ​​den fysiske natur af tumor mikromiljø er nu godt værdsat, den mekanisme, hvormed disse ændringer kan køre (eller omvendt) kræft dannelse fortsat uklart.

Vi indledte denne datamodellering undersøgelse baseret på den iagttagelse at ikke-genetiske faktorer spiller også en afgørende rolle i kontrollen af ​​celle skæbne og adfærd. En vigtig miljøfaktor er celle form [12], som ændrer genekspression og regulerer celle skæbne skifte mellem vækst, differentiering og apoptose [13], [14], [15], samt blandt forskellige stamceller slægter [16] , [17]. Celleform er på sin side kontrolleres af ændringer i mekaniske kræfter, der er afbalancerede mellem cellens kontraktile cytoskelet og dens eksterne adhæsioner til ECM og til andre celler [13], [14], [15]. Således kan variationer i ECM struktur eller mekanik ændre celleskæbne switching og indflydelse vævsmorfogenese ved at ændre kraft balance mellem celler og ECM, hvorved der frembringes lokaliseret celleform forvrængning. Desuden kan kunstigt forstyrre cellulære kraftbalancen ved at undertrykke cytoskelet spænding generation inden udvikle epitel føre til uorganiserede celle-celle forbindelser, der efterligner de, der observeres i de tidlige stadier af tumordannelse [18]. Således er det blevet foreslået, at ændringer i fysiske interaktioner mellem celler og ECM aktivt kan køre eller accelerere tumordannelse ved at ændre celleform [19], [20]. Men enhver stigning i celleproliferation vil blive ledsaget af en stigning i celle pakningsdensitet, der bør komprimere cellerne og derved undertrykke deres vækst. Og så er det stadig uklart, hvordan ændringer i ECM mekanikere eller celle form forvrængning kunne køre kræft dannelse.

Computer simulationer baseret på dynamisk Boolske netværk og eksperimentelle resultater viser, at de forskellige celle skæbner, at en bestemt celle kan udstille (f.eks vækst, differentiering, apoptose) repræsenterer et forprogrammeret sæt fælles ende programmer eller “attraktorer”, som selv organiserer inden cellens regulatoriske netværk [14], [21], [22]. I denne type dynamisk netværk model af informationsbehandling, generaliserede stimuli, såsom mekaniske kræfter, og specifikke molekylære signaler frembringer signaler, der fører celler til at følge forskellige baner, der til sidst konvergerer hen på en af ​​et lille sæt af fælles ende programmer (f.eks, vækst eller differentiering). Hertil kommer, fordi kontrollen af ​​cellernes adfærd involverer udvælgelse af allerede eksisterende adfærdsmæssige tilstande af cellen, skifter også kan induceres ved genetisk støj (dvs. stokastiske variationer i genekspressionsprofiler). Genekspression stokastik regulerer overgange mellem forskellige skæbner, fordi mens netværk dynamik drevet af specifikke stimuli tendens til at køre en celle til en lokal attraktor i staten plads, kan overgange mellem attraktorer opstår, når støjen skubber cellen ud af et bassin af tiltrækning og ind i en anden [23 ]. Miljøet indflydelse på disse overgange kan forstås som forekommende gennem regulering af støjen amplitude [21], [24]. Betydningen af ​​disse ikke-genetiske faktorer understreges af forsøg, der viser ikke-genetiske variation blandt klonede celler [25], [26], [27], hvilket afspejler stokastisk genekspression [25], [26], [28] og reaktioner til forskellige mikromiljøer [26], [27], [29].

vigtigt, morfologisk tab af formelle celleform og position er kendetegnende for cancer progression [29], og tumordannelse er ledsaget af en progressiv tab af normal form-afhængige kontrol med cellevækst, differentiering og overlevelse [27], [29], [30], [31], [32]. Desuden synes troskab af genetiske kontrol til at være tæt koblet til nukleare og kromatin struktur, som igen er følsomme over for cytoskeletal struktur og celle form regulering [33], [34], [35]. Således kunne stigninger i celle form variation, der ledsager tidlige stadier af tumordannelse potentielt spille en aktiv rolle i celle skæbne overgange, der drev carcinogenese både ved at udnytte mekaniske signalveje og ved at øge den genetiske variation.

Drevet af disse overvejelser vi brugte en computer simulation model til at undersøge, om stigninger i varians i celle morfologiske parametre som følge af ændringer i ECM struktur eller mekanik aktivt kunne køre kræft progression ved at øge genetisk støj (genekspression variabilitet) i den ændrede mikromiljø. Disse modellering undersøgelser viste, at deregulering af normal kontrol af celle adfærd på grund af udvikling af strukturelle uregelmæssigheder i vævet mikromiljø kan forårsage en positiv spiral, som yderligere destabiliserer væv struktur, accelererende neoplastisk transformation og fører til ubegrænset vækst. Histologiske studier i en muse transgen brystkræft model understøtter vores konklusioner, og viser, at kræft progression er forbundet med progressive stigninger i variabiliteten af ​​cellens form og celle-celle relationer, som vores model forudsiger vil fremme ubegrænset vækst.

Resultater

Computational Model af vævshomeostase

De celler og væv i alle organer udviser karakteristiske tredimensionale (3D) figurer, der er meget almindelig i formen, mens celler og væv form bliver progressivt uorganiserede under tumordannelse og cancer progression. Individuelle celler udviser også forskellige adfærd, afhængigt af i hvilken grad de fysisk udvide: generelt forankringsafhængige celler vokser mere, når spredning, og de lukkes og undergå apoptose, når kompakt, runde eller frigøres fra deres adhæsioner, selv når de dyrkes i tilstedeværelse af mættende koncentrationer af opløselige vækstfaktorer [13]. Hypotesen vi fokuserer på i dette arbejde er, at uregelmæssigheder i en celles lokal vævsmiljø kan føre til øget variabilitet i sin form, hvilket også kan svække fidelity af cellulær genetisk kontrol og dermed føre til øget variabilitet i sine svar på de fysiske kræfter at handle på den til at kontrollere sin vækst og levedygtighed.

således i vores model af væv formular regulering, den fænotypiske parameter vi fokuserer på, er cellens adfærdsmæssige variabilitet, i form af sin tilbøjelighed til at vokse som reaktion på fysisk spændinger forårsaget af formen forvrængning. Denne variabilitet ændrer som en funktion af fysiske faktorer i cellens mikromiljø, der ændrer sin form, især antallet af naboer den kontakter, som skifter med celle befolkningstæthed og arrangement. Modellen er konstrueret således, at cellevækst og apoptose stramt reguleret af kræfter på cellen (f.eks komprimering pålideligt undertrykker vækst og øger apoptose), når en celle er i en “sund” mikromiljø [13], hvorimod uregelmæssigheder i den fysiske mikromiljø forstyrre forordningen ved at øge befolkningens variation i cellernes adfærdsmæssige reaktioner på fysiske spændinger eller tryk. Formålet var at undersøge, om disse faktorer alene kan resultere i stigninger i celle nummer og vævsmasse over tid uden en genetisk mutation forekommer i en celle.

Simulation modeller af carcinogenese og tumorvækst udforsket tidligere har fokuseret på forskellige niveauer, der spænder fra individuelle celler [36], [37], [38], [39] til bulk-væv [40], [41], [42], [43], [44], [45]. På grund af større længde, skalaer og centrale betydning af variation inden cellepopulationer i vores undersøgelse valgte vi at konstruere vores simulering som et agentbaseret model med hvert middel repræsenterer en distinkt celle, snarere end som en bulk model kontinuerlig væv. Betydningen af ​​kræfter baseret på relative celleplaceringer dikteret en off-gitter [36], [37] i stedet for cellulær automat (CA) model [38], [46], således at cellerne kan have vilkårlige kontinuerte værdsat positioner frem for at være begrænset til diskrete steder.

Da mere end 90% af kræftformer er epitelial karakter, konstruerede vi vores computersimulering model til at repræsentere celler i en 3D planar epitel. I vores model, celler virker ligesom deformerbare klæbende kugler på et plant klæbende substrat (fig. 1A). Hver celle oplever en kraft fra hver af sine naboer, som om centrene for de to celler blev forbundet med en fjeder, hvis resten længde er baseret på cellestørrelser. Underlaget udøver også kræfter på celler: lodret for at modellere vedhæftet fil, og horisontalt, hvis en celle grænser på et tomt område af ubesatte substrat, til at modellere den måde en celle breder sig i et sådant tilfælde. Den resulterende kraft regulerer cellens bevægelse i 3D rummet. Passiv kræfter på en celle registreres som spændinger, aktiv oner som kompression. Netto spænding på en celle, T

total, regulerer dens tendens til vækst eller apoptose (fig 1B.); en celle under større spænding har en forøget sandsynlighed for vækst, mens større komprimering øger chancen for apoptose [13]. Den karakteristiske niveau af spænding, hvor en celle har en tendens til at skifte fra hviletilstand til vækst betegnes her som

ekspansion tærskel

(T

e). Hvis T

alt overstiger T

e i en tid skridt, cellen tilføjer en tilvækst G til sit volumen; når cellen når to gange dens oprindelige volumen (gennem reiterative tilføjelser af G over tid), den forpligter til opdeling i to celler, der hver indeholder det oprindelige volumen. Hvis T

samlede dråber under

apoptose tærskel

T

a, cellen forpligter sig til apoptose. Når en celle har forpligtet sig til enten skæbne, den venter en yderligere tid τ

e eller τ

a og derefter øjeblikkeligt deler eller forsvinder, henholdsvis.

(A) To fremstillinger af celler i modellen under statisk ligevægt: (venstre) rum-påfyldning vinklet visning, (til højre) skematisk med celler mindre og viser forbindelser mellem naboer (sort, spænding, rød, komprimering). (B) Netto spænding T

alt på en celle behandles som en skalar værdi. Hvis cellen er under nok spænding, T

sum overstiger ekspansionen tærskelværdien T

e, vil det få en volumentilvækst G, dividere efter volumen når to gange dens oprindelige værdi. Hvis cellen er under nok kompression at T

samlede falder under apoptose tærskel T

a, det vil træde apoptose. (C-F) Snapshots af healing eller deregulerede vækst processer efter perturbation. Tallene under snapshots identificere tidstrin. Animationer kan findes online som støtte videoer. (C) Uden adfærdsmæssige variabilitet (σ

e = 0), et sår i et monolag heler hurtigt som celler prolifererer og udfylde hullet, og derefter ophøre vækst. (D) Uden variabilitet (σ

e = 0), mild indledende tilgroning forsvinder som celler ikke er i kontakt med underlaget ind apoptose. (E) Med variabilitet (σ

e = 2), mild indledende tilgroning fortsætter og breder sig over tid. (F) Overgrowth kan vendes og elimineres ved at påføre trykkraft på vævet. Fra tid trin 600, celler i simulering af (E) har deres værdi på T

alt sænkes med et beløb 2.0. I alle paneler, celler tonet blå, hvis de har forpligtet sig til division (mørkere, når de kommer tættere på det tidspunkt, division), rød, hvis de har forpligtet sig til apoptose (mørkere som de nærmer tidspunktet for død), gul, hvis de har begået til hverken skæbne.

Stigninger i ECM stivhed i væv resulterer i en vedhæftet fil substrat, der mere effektivt modstår celle-genereret trækkraft kræfter (dvs., snarere end at deformere), og tilhørende mekaniske signalering øger celle kontraktilitet [47 ]; dette øger trækkræfter udøvet på celler for en given geometri. Således kan en forbedring ECM stivhed svarer i modellen at sænke værdierne af T

e og T

a, idet den øger celle spænding og forvridning, som ledsages af forøget celledeling og nedsat apoptose for en given geometri [ ,,,0],13], [18], [48], [49]

Vi brugte antal celle naboer som en proxy for detaljeret celle form eller geometri:. en celle i en normal plan monolag (en celle høj) vil i gennemsnit har 6 laterale naboer, mens en særlig overfyldt eller isoleret kan have betydeligt flere eller færre. Når antallet af celle naboer ændringer i en vedvarende måde, cellen vælger en ny værdi af T

e og /eller T

en fra en fordeling, hvis middelværdi er fast, men hvis varians (taget at være proportional med en konstant σ

e eller σ

a, henholdsvis) stiger med stigende uregelmæssige nabo tæller (og dermed variation af celle form). Således ydre faktorer forbundet med lokalområdet geometri påvirke en celles indtræden i proliferation eller apoptose, både gennem de kræfter, der udøves på den celle, der udløser disse adfærd direkte, og gennem modulation af cellens reaktion på disse kræfter. Model detaljer er beskrevet fuldt ud i de materialer og metoder.

Model simuleringer viste, at uden befolkningen varians i T

e (σ

e = 0), kortvarige forstyrrelser vævshomeostase selv- helbrede ved, at vævet monolag morfologi returnerer over tid. For eksempel, sårede epitel ved at fjerne celler i en given resultater området i sårlukning som overlevende celler, kontakt de ubesatte substrat erfaring kræfter, der forårsager dem til at sprede sig, flytte ind i ryddet område, og formere sig, indtil monolag er genoprettet, hvorefter væksten slukker på grund af celle komprimering (fig. 1C). En hyperplastiske epitel (fx induceret i modellen ved at tilføje celler på toppen af ​​monolaget) også vender tilbage til en normal monolag når den unormale vækst stimulus fjernes som de overliggende celler forsvinde med tiden, fordi spændingen de oplever fra deres naboer er for lav på støtte, spredning eller vækst, og begge celleafrunding og mangel på kontakt med substratet øge sandsynligheden for apoptose [50] (fig. 1D). Det svarer til homøostase i normale levende væv, hvor epitelet bevarer sin normale arkitektur når urolig under sårheling eller en midlertidig stigning i væksten stimulering gennem samspil mellem biomolekylære signaler og mekaniske regulatoriske signaler, der ændrer celle formular.

Microenvironmental Uregelmæssigheder resultat i Stigninger i varians af Form Parametre

De computersimuleringer afslørede også, at når microenvironmental ændringer i celle pakning resultat i øget varians (σ

e 0) i celle ekspansion adfærd (T

e ), er det muligt for en ellers kortlivede vækst perturbation bestå og spredning. For eksempel modellen forudsiger, at hvis celle tilgroning opstår og celle hober resultater for en eller anden grund, så vedholdende ureguleret vækst kan opstå, hvis der er en betydelig befolkning varians i T

e grundet oprettelsen af ​​en uregelmæssig mikromiljø, der ændrer variabiliteten af ​​cellen forme i monolag. Specifikt kan stigningen i celle naboer i områder af cellen piling føre nogle af disse celler til at udtrykke tærskler unormalt lave ekspansion, hvilket resulterer i dereguleret vækst og desorganisering af normal epitelial morfologi, der minder om tidlige neoplastiske læsioner (fig. 1E). Disse simuleringer hæve dermed muligheden for, at fremkomsten af ​​stigende variation i celle-celle kontakter, og nært beslægtede ændringer i celle form parametre skyldes nogen stimulus for celle tilgroning, kunne feed back til yderligere at fremskynde processen med væv forvaltningsmæssigt, hvilket resulterer i kræft transformation og ureguleret celle ekspansion.

Interessant en nylig undersøgelse viste fænotypiske reversion af maligne bryst epitelceller til en mere normal fænotype når vævet blev udsat for en trykkraft [11]. Vigtigere er det, vores simuleringsmodel gør det samme forudsigelse: stigende pres på alle celler vil fortrinsvis påvirke dem i en tumor-lignende vækst, hvor celle pakning massefylde er højere og trykket er allerede for højt; hvilket øger pres vil først tendens til at skubbe disse celler væk fra deres ekspansion tærskel, langsommere og stopper spredning. Desuden fører stadig større tryk til den selektive celledød i tumoren som det totale tryk krydser deres apoptose tærskel T

a. Resterende celler i befolkningen, der beholdt ekspansion tærskler normale derefter genskabe rummet efterladt, og vævet forbliver i ro med en normal fænotype derefter (fig. 1 F).

Det er vigtigt at bemærke, at faldende befolkningens baseline værdi T

e i mangel af befolkningen varians (σ

e = 0) vil øge ligevægt celle pakning tæthed af monolag [29], men det vil ikke give anledning til ukontrolleret vækst indtil T

e bliver tilstrækkelig lav (fig. 2A). Stigende varians (σ

e) giver nogle celler at udvise autonom vækst ved højere baseline værdier af T

e (fig. 2A), og således, fortrinsvis stimulerer proliferation i regioner af uregelmæssig vævsmorfologi (eller ændrede ECM mekanik) . I modsætning hertil apoptose tærskelværdien T

a i modellen påvirker mængden af ​​pres celler er i stand til at modstå før de dør. Mikromiljø-relaterede variabilitet i T

et kan redde en kræft fænotype, fordi nogle celler i unormalt overfyldte mikromiljøer udtrykker en tilsvarende øget sandsynlighed for apoptose. Dette kan give rydde ud og normalisering af de overfyldte område, hvilket gør det vanskeligere for fortrængning-linked uregelmæssig vækst til at blive etableret og spredning (Fig. 2B). Men variation i T

en alene ikke giver anledning til unormal vækst i uregelmæssige mikromiljøer. Således har vi fokus på det bidrag modulere udvidelsen tærskelværdien T

e i denne analyse.

For forskellige værdier af (A) T

e og σ

e eller (B) T

et og σ

a, pixel vise, hvad brøkdel af ti uafhængige simulering eksperimenter opretholde kontrolleret morfologi for 2000 tidsskridt, startende fra tilgroning (tid trin 0 i figur 1D, 1E.): hvid angiver alle kørsler opretholdt kontrol, sort tyder alle resulterede i ukontrolleret vækst, med mellemliggende pixelværdier for blandede resultater. Til formål med disse eksperimenter, “kontrolleret morfologi” er defineret som færre end 100 celler skubbet op af monolaget. (A) Affedtning T

e øger væksten og ved lave nok værdier kan resultere i fortsat vækst uden variation (σ

e = 0). Stigende variabilitet muliggør autonom vækst ved højere værdier af T

e. T

a = -3,0, σ

a = 0. (B) Forøgelse af værdien af ​​T

en direkte eller ved at øge variabilitet σ

en øger celledød i overfyldte miljøer, og kan forhindre ureguleret vækst som følge af miljømæssige uregelmæssighed etablere fodfæste under forhold, hvor autonom vækst ellers ville opstå. T

e = 0,3, σ

e = 2,0.

For at bestemme direkte, om stigninger i cellevækst i levende væv ændre varians i celle form parametre, som er afgørende for relevansen af ​​vores computermodel, vi analyserede ændringer i disse morfologiske træk i tidlige stadier af hyperplasi og dannelse af duktalt carcinoma in situ (DCIS) under brystkræft progression i transgene C3 (1) -SV40Tag mus. Transgene hunner udvikler spontant brysttumorer flere end et tidsforløb for 8 til 20 uger gamle i en meget robust måde [51], [52]. Cancer progression i disse brystvæv sker gennem øget vækst og tab af differentiering, som målt ved reduceret ekspression af østrogen og progesteronreceptorer (Fig. 3A-D). Den regionale heterogenitet af vævet mikromiljø under kræft progression er også tydeligt i denne model som individuelle 16 ugers mælkekirtler indeholder kanaler, der viser forskellige stadier af tumordannelse (dvs. normal, hyperplastisk og DCIS) adskilt af kun små afstande inden for samme kirtel (fig. 4A), på trods af den identiske genetiske baggrund og lignende ekspression af SV40 stort T-transgen [51] (fig. 3A). Denne duktalt heterogenitet blev observeret i alle dyr undersøgt og på alle tidspunkter analyserede.

(A) Tumor celleproliferation (PCNA) og differentiering (ERa og PR) blev ændret i hyperplastisk og DCIS kanaler sammenlignet med normale kanaler, mens den transgenekspression forblev ens (SV40). Scale bar: 20 pm. (B-D) morfometrisk analyse af duktal heterogenitet (N, normal, H hyperplastisk D, DCIS). (B) epitelcelle vækst (% PCNA-positive celler) steg en smule, men betydeligt i DCIS kanaler sammenlignet med normale kanaler mens procentdelen af ​​celler, som udtrykker (C) ERa og (D) PR faldt betydeligt i DCIS kanaler sammenlignet med normale (* ,

s

. 0,05)

(a) regionale variationer i brystkræft progression observeret i samme brystkirtel isoleret fra en 16 uger gammel transgene mus. Bemærk, at normale kanaler (N), hyperplastiske kanaler (H) og DCIS-ligner kanaler (D) kan findes i umiddelbar nærhed i samme kirtel (skala bar: 100 pm). (B) Stor forstørrelse H 0,05).

vigtigere, blev disse regionale variationer i fænotype ledsaget af ændringer i cellen og nuklear form (fig. 4B), samt lokale stigninger i både epithel- og stromal stivhed (fig. 4C, D). Stivhed målt brugte atomic force mikroskopi (AFM) og både fordelingsprofil af stivheder målt (fig. 4C) og den gennemsnitlige stivhedsværdier steg betydeligt for både epitel og stroma, når normale kanaler blev sammenlignet med DCIS kanaler inden 16 ugers kirtler (Fig . 4D). Cell pakning tætheder steget så godt: celler i epitel monolag, foret normale brystkirtler kanaler havde i gennemsnit 2,9 ± 1,1 epitelcelletyper naboer (fig 5A, B.), Når de analyseres i histologiske snit ved hjælp af edb-billedanalyse. Hyperplastiske kanaler, som er karakteriseret ved forøget celleproliferation og tilstedeværelsen af ​​celler i den luminale rum, viste en stigning i det gennemsnitlige antal af celle- naboer (3,7 ± 1,2) og analyse af formen af ​​fordelingen også afslørede en signifikant stigning i varians af disse data (

s

0,05; ensidet F-test. figur 5A, B). Celler i DCIS kabelkanaler, som ofte udvidet og fuldstændigt fyldte med tætpakkede celler, viste både den højeste gennemsnitlige (5.5) og største varians (standardafvigelse = 1,9) i antallet af celle- naboer, og dette niveau af varians blev signifikant forøget sammenlignet der udvises af celler i både normale og hyperplastiske kanaler (

s

10

-24; ensidet F-test). Således understøtter disse resultater en vigtig forudsætning for vores simuleringsmodel, hvilket er, at øget cellevækst er forbundet med en stigning i variansen af ​​cellemorfologiske parametre, afspejles ved variation i antallet af celle- naboer, under cancer progression. Interessant stigningen i varians som antallet af celle- naboer stiger i den murine model var meget lig den observeret i vores computersimulering, og ligeledes variansen i antallet af naboer steg med cancer progression i både de murine og simuleringsmodeller (Fig . 5).

(A) Neighbor tæller frekvens for normal (firkant), hyperplastiske (cirkel), og DCIS (trekant) kanaler. (B) Middelværdi og standardafvigelse for nabo tæller for hver kanal klasse. (C) Afvigelse i nabo tæller stiger med tumor progression, både i histologiske skiver (venstre, progression målt ved kanalen område fyldt) og i tilsvarende skiver fra simuleringsmodel (højre, progression målt efter tid fra simulering start). (D) Sammenhæng mellem middelværdi og varians i nabo tæller i histologiske skiver (til venstre) og tilsvarende skiver fra simuleringsmodel (til højre). T

e = 0,125, σ

e = 0,667.

Diskussion

I denne undersøgelse beskrev vi en simuleringsmodel, hvor øget variabilitet i fænotypiske celle parametre, forårsaget af strukturelle variationer i væv mikromiljøer der ændrer antallet af celle naboer og celle form, kan føre til vedvarende vækst patologier der er i overensstemmelse med kræft progression. Ingen genetiske ændring er nødvendig og transplantere en opfører celle i et normalt miljø vil genoprette sin normale adfærd i denne model, som er i overensstemmelse med den observation, at nogle kræftceller stoppe dividere og undergår normal histodifferentiation når de bringes i kontakt med normal ECM [4], [19], [20], [32], [53], eller når fysisk komprimeret [11]. Selvom genmutationer ikke er forpligtet til at indlede denne proces, både faldt genetiske troskab og øget celledeling vil sandsynligvis føre til stigninger i gen mutationsrater der kunne feed back til yderligere at fremskynde neoplastisk transformation processen. Dette stemmer overens med den observation, at ende-trins tumorer, der skyldes ændring af ECM struktur alene

in vivo

(fx ved konstitutivt udtrykker ECM-nedbrydende enzym, stromelysin) faktisk udviser genmutationer og kromosomale abnormaliteter, der er klassiske kendetegnende for malignitet [1].

Selvom vores resultater var et produkt af en computersimulering, histologiske og mikromekaniske analyser af mælkekirtler fra transgene C3 (1) -SV40Tag mus ved 16 uger bekræftede, at lokale variationer i brystkræft progression, der er observeret i enkelte brystkirtler kanaler korrelerer med lokale ændringer i brystvæv mekanik, samt øget variabilitet i celle form og celle-celle nabo relationer. Vigtigt er det, disse stigninger i strukturel variation, der forbinder med tumorprogression

in vivo

svarede nøje til variationerne i nabo relationer, som vi antages at være påvirke adfærd i vores simuleringsmodel (fig. 5).

Stort set alle tidligere arbejde på carcinogenese har fokuseret på det genetiske grundlag for sygdommen; men det er også afgørende at forstå, hvordan ikke-genetiske faktorer bidrager til dannelse kræft, fordi det er nu klart, at microenvironmental tidskoder, herunder lokale ændringer i ECM, angiogenese og den omgivende stroma, kan spille en lige så vigtig rolle i dannelsen af ​​kræft og progression [ ,,,0],19], [34], [54], [55]. De fleste tidligere computermodeller af tumorigenese primært fokuseret på genetisk mutation [43], [56] eller på angiogenese og vaskularisering [39], [40], [41], [45], ofte med det mål at gøre detaljerede kvantitative forudsigelser af vækst [38], [43], [46].