Abstract

As alterações na estrutura da matriz extracelular (ECM) ou mecânica pode dirigir activamente progressão do cancro; No entanto, o mecanismo subjacente permanece desconhecido. Aqui, exploramos se este processo poderia ser mediada por mudanças na forma das células que levam ao aumento do ruído genética, dado que ambos os factores foram mostrados independentemente para alterar a expressão genética e induzir a comutação de destino celular. Fazemos isso usando um modelo de simulação computacional que explora o impacto das mudanças físicas no microambiente tecido sob condições em que a deformação física das células aumenta a variabilidade da expressão de genes entre as células geneticamente idênticas. O modelo revela que o crescimento do tecido canceroso pode ser impulsionado por alterações físicas no microambiente: quando aumenta na forma das células variabilidade devido a aumentos dependentes de crescimento em densidade de empacotamento de células melhorar variação expressão do gene, crescimento autónomo heterogénea e mais desorganização estrutural pode resultar, aumentando assim progressão do câncer através de feedback positivo. Os parâmetros do modelo que levaram a esta previsão são consistentes com as medições experimentais de tecidos mamários que espontaneamente se submetem a progressão do cancro em C3 transgénicos (1) -SV40Tag ratinhos fêmea, que apresentam uma melhor rigidez dos ductos mamários, bem como aumentos progressivos em variabilidade de cell- relações celulares e alterações na forma de células associadas. Estes resultados demonstram o potencial de mudanças físicas no microambiente do tecido (por exemplo, alteração mecânica ECM) para induzir um fenótipo canceroso ou acelerar a progressão do cancro numa população clonal através de alterações locais na geometria da célula e maior variabilidade fenotípica, mesmo na ausência de mutação do gene .

Citation: Werfel J, Krause S, Bischof AG, Mannix RJ, Tobin H, Bar-Yam Y, et al. (2013) Como alterações na mecânica da matriz extracelular e Gene Expression Variabilidade possam ser combinados para conduzir o cancro progressão. PLoS ONE 8 (10): e76122. doi: 10.1371 /journal.pone.0076122

editor: Sui Huang, Instituto de Biologia de Sistemas, Estados Unidos da América

Recebido: 23 de maio de 2013; Aceito: 20 de agosto de 2013; Publicação: 03 de outubro de 2013

Direitos de autor: © 2013 Werfel et al. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Attribution, que permite uso irrestrito, distribuição e reprodução em qualquer meio, desde que o autor original ea fonte sejam creditados

Financiamento:. Este trabalho foi apoiado por uma Breast Cancer DOD Prêmio Inovador (BC074986 a DEI), um cancro da mama DOD Cancer Award multi-Team (W81XWH-10-1-0565 a DEI), uma bolsa de pós-doutorado Susan G. Komen (KG101329 a SK), ea Instituto Wyss para Engenharia biologicamente Inspirada na Universidade de Harvard. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta de dados e análise, decisão de publicar ou preparação do manuscrito

CONFLITO DE INTERESSES:.. Os autores declararam que não existem interesses conflitantes

Introdução

O câncer é comumente considerada como uma doença genética, resultante de uma série de mutações genéticas que desregulamentar o crescimento celular e levam à transformação neoplásica. Enquanto mutações genéticas contribuir para a carcinogênese, o trabalho recente revelou que as mudanças no microambiente do tecido também pode iniciar e conduzir a formação de câncer. Por exemplo, a formação de cancro da mama pode ser induzida em ratinhos transgénicos expressando constitutivamente um gene que codifica uma enzima que degrada selectivamente a matriz extracelular (ECM) [1], e por outro lado, algumas células cancerosas pode ser induzido a não proliferam e se diferenciam pela combinação deles com ECM normais [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. a progressão do câncer de mama também é acompanhado por aumentos progressivos da ECM rigidez, e o crescimento do cancro da mama pode ser seletivamente acelerado ou retardado, respectivamente, aumentando ou diminuindo ECM cross-linking

in vivo

[9], [10]. Mais recentemente, as células de cancro da mama, também têm sido mostrados para sofrer uma reversão fenotípica in vitro, quando fisicamente comprimido [11]. Mas enquanto a importância da natureza física do microambiente do tumor é agora bem apreciado, o mecanismo pelo qual estas alterações podem conduzir (ou inverso) a formação de cancro continua a ser pouco clara.

iniciado este estudo de modelação computacional com base na observação os factores não genéticos também desempenham um papel crítico no controle de destino da célula e comportamento. Um factor ambiental chave é a forma da célula [12], o que altera a expressão de genes e regula o destino da célula de comutação entre o crescimento, a diferenciação e a apoptose [13], [14], [15], bem como entre diferentes linhagens de células estaminais [16] , [17]. a forma da célula é, por sua vez, controlados por mudanças nas forças mecânicas que são equilibradas entre citoesqueleto contráctil da célula e suas aderências fora a ECM e a outras células [13], [14], [15]. Assim, variações na estrutura ECM ou mecânica pode alterar comutação destino celular e influência morfogênese do tecido, alterando o equilíbrio de força entre as células e ECM, produzindo, assim, localizada distorção forma da célula. Além disso, artificialmente perturbar o equilíbrio de força celular por suprimir geração de tensão do citoesqueleto dentro desenvolvimento epitélio pode conduzir a relações célula-célula desorganizados que imitam os observados durante os estágios iniciais da formação do tumor [18]. Assim, tem sido sugerido que alterações nas interacções entre as células e físicas ECM pode dirigir activamente ou acelerar a formação do tumor, alterando a forma da célula [19], [20]. Mas qualquer aumento na proliferação celular irá ser acompanhada por um aumento na densidade de empacotamento da célula que deve comprimir as células e, desse modo suprimir o seu crescimento. E assim não se sabe como alterações na mecânica de ECM ou a forma da célula distorção poderia conduzir a formação de câncer.

As simulações de computador baseados em redes booleanas e resultados experimentais dinâmica indicam que os diferentes destinos de células que uma célula em particular podem exibir (por exemplo, crescimento, diferenciação, apoptose) representam um conjunto pré-programado de programas de fim comum ou “atratores”, que se auto-organizam dentro de redes de regulação da célula [14], [21], [22]. Neste tipo de modelo de rede dinâmica de processamento de informação, estímulos generalizadas, tais como forças mecânicas e pistas moleculares específicos gerar sinais que levam as células a seguir trajetórias diferentes que, eventualmente convergem para um de um pequeno conjunto de programas finais comum (por exemplo, crescimento ou diferenciação). Além disso, porque o controlo do comportamento das células envolve a selecção de modos de comportamento preexistente da célula, a mudança também pode ser induzida por ruído genética (isto é, variações estocásticos nos perfis de expressão de genes). Gene expressão stochasticity governa transições entre diferentes destinos, porque enquanto a dinâmica de redes impulsionado por estímulos específicos, tendem a dirigir uma célula para um atrator local em espaço de estados, transições entre atratores pode ocorrer quando o ruído empurra a célula fora de uma bacia de atração e em outro [23 ]. A influência do ambiente sobre estas transições pode ser entendida como ocorrendo através da regulação da amplitude de ruído [21], [24]. A importância desses fatores não-genéticos é enfatizado por experiências que mostram a variabilidade não-genética entre as células clonais [25], [26], [27], o que reflete a expressão do gene estocástica [25], [26], [28] e as respostas para microambientes diferentes [26], [27], [29].

é importante ressaltar que a perda morfológica da regularidade da forma da célula e a posição é uma característica da progressão do cancro [29], e a formação do tumor é acompanhado por uma progressiva perda de controlos normais dependentes de forma ao longo do crescimento celular, diferenciação e sobrevivência [27], [29], [30], [31], [32]. Além disso, a fidelidade de controlo genético parece ser firmemente acoplado a estrutura da cromatina nuclear e, que por sua vez são sensíveis a estrutura do citoesqueleto e regulação forma da célula [33], [34], [35]. Assim, aumentos na variação forma da célula que acompanham estágios iniciais de formação do tumor, poderão desempenhar um papel activo nas transições destino da célula que impulsionam carcinogênese, tanto pelo aproveitamento vias de sinalização mecânicos e pelo reforço da variabilidade genética.

Impulsionada por essas considerações, foi utilizado um modelo de simulação computacional para investigar se aumentos na variação em parâmetros morfológicos das células causadas por mudanças na estrutura ECM ou mecânica poderia conduzir activamente a progressão do câncer, aumentando o ruído genética (gene expressão variabilidade) no microambiente alterada. Estes estudos de modelagem revelou que a desregulamentação do controle normal do comportamento de células devido ao desenvolvimento de irregularidades estruturais no microambiente do tecido pode causar um ciclo de feedback positivo que desestabiliza ainda mais a estrutura do tecido, acelerando a transformação neoplásica e levando a um crescimento sem restrições. Os estudos histológicos em um modelo de cancro da mama transgênica murino apoiar nossas conclusões, e mostram que a progressão do câncer está associada com aumentos progressivos na variabilidade da forma da célula e as relações célula-célula, que o nosso modelo prevê que promover o crescimento sem restrições.

resultados

Computacional Modelo de homeostase do tecido

As células e tecidos de todos os órgãos exibem formas caracterticas tridimensional (3D) que são altamente regular em forma, ao passo que a forma da célula e tecido tornam-se progressivamente durante desorganizado formação de tumores e progressão do câncer. As células individuais também exibem comportamentos diferentes, dependendo do grau ao qual eles fisicamente estender: em geral, as células dependentes de ancoragem crescer mais quando espalhada, e eles desligado e sofrem apoptose quando compacto, redondo ou destacado das suas aderências, mesmo quando cultivadas na presença de concentrações saturantes de factores de crescimento solúveis em [13]. A hipótese que focar neste trabalho é de que as irregularidades em ambiente de tecido local de uma célula pode levar a um aumento da variabilidade na sua forma, que também pode prejudicar a fidelidade de controlo genético celular e, por conseguinte, levar a um aumento da variabilidade nas respostas às forças físicas que agir sobre ela para controlar o seu crescimento e viabilidade.

Assim, no nosso modelo de regulação forma de tecido, o parâmetro fenotípica nos concentramos em uma variabilidade comportamental da célula, em termos de sua propensão a crescer em resposta a física tensão provocada por forma a distorção. Esta variabilidade muda como uma função de factores físicos no microambiente das células que alteram a sua forma, em particular o número de vizinhos que entra em contacto, que muda com a densidade de população de células e arranjo. O modelo é construído de tal modo que o crescimento celular e a apoptose são regulados por forças na célula (por exemplo, a compactação suprime de forma fiável o crescimento e aumenta a apoptose) quando uma célula está em um micro-ambiente “saudáveis” [13], enquanto que as irregularidades no microambiente física perturbar que a regulamentação, aumentando a variabilidade populacional em respostas comportamentais das células de tensão física ou pressão. O objetivo foi investigar se esses fatores sozinhos poderia resultar em aumentos no número de células e massa de tecido ao longo do tempo, sem uma mutação genética que ocorre em qualquer célula.

Os modelos de simulação de crescimento carcinogênese e tumor explorado no passado têm-se centrado na diferentes níveis, que variam a partir de células individuais [36], [37], [38], [39] para os tecidos a granel [40], [41], [42], [43], [44], [45]. Por causa das escalas de comprimento relevantes e importância central da variação dentro de populações de células em nosso estudo, optou-se por construir nossa simulação como um modelo baseado em agentes com cada agente que representa uma célula distinta, e não como um modelo de massa de tecido contínua. A importância das forças baseadas em locais de célula relativas ditada um modelo autómato celular (CA) [38] off-estrutura [36], [37] em vez de, [46], de modo que as células podem ter posições contínuas de valor arbitrárias em vez de estarem constrangido a locais discretos.

Dado que mais de 90% dos cancros são de natureza epitelial, nós construímos o nosso modelo de simulao em computador para representar células no epitélio planar 3D. No nosso modelo, as células actuam como esferas adesivas deformáveis ​​em um substrato planar adesiva (Fig. 1A). Cada célula sofre uma força de cada um dos seus vizinhos, como se os centros das duas células foram ligadas por uma mola cujo comprimento restante é baseado nos tamanhos de células. O substrato também exerce forças sobre células: verticalmente para modelar anexo e horizontalmente se a limites de células em uma área vazia do substrato desocupado, para modelar a maneira como uma célula se espalha em tal caso. A força resultante rege o movimento da célula no espaço 3D. forças externas sobre uma célula são registrados como tensão, os interiores como compressão. A tensão resultante sobre uma célula, T

totais, rege a sua tendência de crescimento ou apoptose (Fig 1B.); uma célula sob maior tensão tem uma maior probabilidade de crescimento, enquanto que uma maior compressão aumenta a possibilidade de apoptose [13]. O nível da característica de tensão em que uma célula tende a mudar da quiescência ao crescimento é referido aqui como o

limite de expansão

(T

E). Se T

total excede T

e durante um intervalo de tempo, a célula adiciona um incremento G ao seu volume; quando a célula atinge duas vezes o seu volume inicial (através de adições reiterativas de L ao longo do tempo), ele compromete-se a divisão em duas células que cada uma contém o volume inicial. Se T

gotas totais abaixo do

limite apoptose

T

a, a célula se compromete a apoptose. Uma vez que uma célula foi comprometida quer destino, ele espera um tempo mais τ

E ou τ

um e então instantaneamente divide ou desaparece, respectivamente.

(A) duas representações de células no modelo durante o equilíbrio estático: (direita) representação esquemática (à esquerda)-space enchendo vista angular, com células menores e que mostram as relações entre vizinhos (preto, tensão, vermelho, compressão). (B) A tensão líquido T

total de uma célula é tratado como um valor escalar. Se a célula está sob tensão suficiente para que o t

total exceda o limite de expansão t

E, ele vai ganhar um aumento de volume G, dividindo-se depois o volume atinge duas vezes o seu valor inicial. Se a célula está sob compressão suficiente para que T

quedas totais abaixo do limiar de apoptose T

a, entrará apoptose. (C-F) Snapshots de cura ou de processos de crescimento desregulado após perturbação. Números abaixo de instantâneos identificar o passo de tempo. As animações podem ser encontrados on-line como o apoio vídeos. (C) Sem variabilidade comportamental (σ

e = 0), uma ferida em uma monocamada cura rapidamente como as células proliferam e preencher a lacuna, então cessar o crescimento. (D) Sem variabilidade (σ

e = 0), supercrescimento inicial leve desaparece como as células não estão em contacto com o substrato entrar apoptose. (E) com a variabilidade (σ

e = 2), supercrescimento inicial leve persiste e se espalha ao longo do tempo. (F) sobrecrescimento pode ser invertida e eliminados através da aplicação de força de compressão no tecido. A partir de passo de tempo 600, células na simulação de (E) têm o seu valor de T

total de reduzido por um montante 2.0. Em todos os painéis, as células são tingido de azul, se eles se comprometeram a divisão (mais escuro à medida que se aproximar o momento da divisão), vermelho se eles se comprometeram a apoptose (mais escuro à medida que se aproxima o momento da morte), amarelo, se eles se comprometeram a nenhum destino.

Os aumentos na ECM rigidez em resultado de tecido em um substrato anexo que de forma mais eficaz resiste forças de tração gerada por células (ou seja, ao invés de deformar) e sinalização mecânica associada aumenta a contratilidade celular [47 ]; isto aumenta as forças de tracção exercidas sobre as células de uma dada geometria. Assim, aumentando a rigidez ECM corresponde no modelo para reduzir os valores de T

E e T

um, na medida em que aumenta a tensão da célula e a distorção, que é acompanhado por um aumento da divisão celular e diminuição da apoptose para uma dada geometria [ ,,,0],13], [18], [48], [49]

Foi utilizado o número de vizinhos celulares como um proxy para a forma da célula detalhada ou geometria:. uma célula em uma monocamada planar normal (uma célula de alta) será, em média, tem 6 vizinhos laterais, enquanto um particularmente lotada ou isolada pode ter significativamente mais ou menos. Quando o número de vizinhos celulares muda de forma persistente, a célula escolhe um novo valor de T

E e /ou T

a partir de uma distribuição, cuja média é fixa, mas cuja variância (considerado como sendo proporcional a uma constante σ

e ou σ

a, respectivamente) aumenta com contagens cada vez mais irregulares vizinho (e, portanto, variabilidade da forma da célula). Assim, os factores extrínsecos associados com a geometria afectam vizinhança local de entrada de uma célula em proliferação ou apoptose, tanto através das forças exercidas sobre a célula que accionar esses comportamentos directamente, e por meio da modulação da resposta da célula a essas forças. detalhes do modelo são descritas nos Materiais e Métodos.

Os modelos de simulação revelou que, sem variação da população em t

e (σ

e = 0), perturbações de curta duração para o tecido homeostase auto curar em que a morfologia monocamada tecido retorna ao longo do tempo. Por exemplo, ferindo o epitélio, removendo as células dentro de uma determinada área resulta em fechamento da ferida como células que contactam com a experiência de substrato forças desocupados que levá-los a espalhar-se sobreviver, se mudar para a área limpa, e proliferam até que a monocamada é restaurado após o qual o crescimento desliga devido à compressão celular (Fig. 1C). Um epitélio hiperplásico (por exemplo, induzida no modelo pela adição de células no topo da monocamada) também reverte para uma monocamada normal quando o estímulo do crescimento anormal é removido como as células de cobertura desaparecem ao longo do tempo, porque a tensão eles experimentam dos seus vizinhos é demasiado baixo para apoiar o crescimento ou espalhamento, e tanto células de arredondamento e falta de contacto com o substrato de aumentar a probabilidade de apoptose [50] (Fig. 1D). Isto corresponde a homeostase em tecidos normais de vida, em que o epitélio mantém sua arquitetura normal quando perturbado durante a cicatrização de feridas ou um aumento temporário da estimulação do crescimento através de interação entre sinais biomoleculares e pistas reguladoras mecânicas que alteram forma celular.

microambiental irregularidades resultam em aumentos de variação do formulário Parâmetros

As simulações de computador também revelou que quando as alterações do microambiente em resultado de embalagem celular em aumento da variância (σ

e 0) no comportamento de expansão celular (T

e ), é possível que uma perturbação do crescimento de outra forma de vida curta para persistir e se espalhar. Por exemplo, o modelo prevê que, se o crescimento excessivo de células ocorre e os resultados empilhamento de células por qualquer razão, então o crescimento desregulado persistente pode resultar se houver significativa variância da população em t

e devido à criação de um microambiente irregular que altera a variabilidade da célula moldar na monocamada. Especificamente, o aumento em células vizinhos em regiões de empilhamento de células pode levar algumas destas células para expressar limiares de expansão anormalmente baixos, resultando num crescimento desregulado e desorganização da morfologia epitelial normal que é uma reminiscência de lesões neoplásicas precoces (Fig. 1E). Estas simulações assim levantam a possibilidade de que o surgimento de aumentar a variação em contactos célula-célula, e as alterações estreitamente relacionados em parâmetros de forma de células, provocadas por qualquer estímulo para o crescimento excessivo de células, pode realimentar para acelerar ainda mais o processo de desorganização do tecido, resultando na transformação cancerosa e expansão celular desregulado.

Curiosamente, um estudo recente demonstrou reversão fenotípica das células epiteliais da mama malignos a um fenótipo mais normalmente, quando o tecido foi submetido a uma força de compressão [11]. É importante ressaltar que o nosso modelo de simulação faz a mesma previsão: aumento da pressão sobre todas as células serão preferencialmente impactar aqueles dentro de um crescimento do tumor-like, onde a densidade de embalagem de células é maior ea pressão já é excessivamente elevada; aumentando assim a pressão vai primeiro tendem a empurrar essas células fora do seu limite de expansão, desacelerando e parando a proliferação. Além disso, ainda maior pressão conduz à morte selectiva de células no tumor como a pressão total atravessa o seu limiar de apoptose t

a. Restante células na população que retida limiares de expansão normais então repovoar o espaço deixado para trás, e o tecido permanece quiescente com um fenótipo normal, posteriormente (Fig. 1F).

É importante notar que a diminuição do valor da linha de base da população de t

e na ausência de qualquer variância da população (σ

e = 0) vai aumentar a densidade de embalagem da célula de equilíbrio da monocamada [29], mas não vai dar origem a um crescimento descontrolado até t

e torna-se suficientemente baixo (Fig. 2A). variância Aumentando (σ

E) permite que algumas células apresentam crescimento autónomo em valores basais mais elevados de T

E (Fig. 2A), e, assim, de preferência, estimula a proliferação em regiões de morfologia irregular dos tecidos (ou mecânica ECM alterados) . Em contraste, o limiar de apoptose t

A no modelo afecta a quantidade de pressão de células são capazes de resistir antes de morrer. variabilidade relacionados com o microambiente em T

a pode resgatar um fenótipo canceroso porque algumas células em microambientes anomalamente lotados expressar um correspondente aumento da probabilidade de apoptose. Isso pode produzir limpando e normalização da região lotado, tornando mais difícil para o crescimento irregular ligados a aglomeração de estabelecimento e disseminação (Fig. 2B). No entanto, a variabilidade em T

a sozinha não dá origem a um crescimento anômalo em microambientes irregulares. Assim, nós nos concentramos sobre a contribuição da modulação do limite de expansão T

e nesta análise.

Para diferentes valores de (A) T

e e σ

e ou (B) T

a e σ

a, pixels mostrar o que fração de dez experimentos de simulação independente mantêm morfologia controlada por 2000 passos de tempo, a partir de supercrescimento (tempo de passo 0 na figura 1D, 1E.): branca indica todas as corridas manteve o controle, preto indica tudo resultou em crescimento descontrolado, com valores de pixels intermediários para resultados mistos. Para efeito dessas experiências “, morfologia controlada” é definido como menos de 100 células empurrado para fora da monocamada. (A) A diminuição t

e aumenta o crescimento e a valores suficientemente baixos podem resultar em crescimento contínuo, sem variabilidade (σ

e = 0). crescente variabilidade permite crescimento autônomo a valores mais elevados de T

e. T

a = -3,0, σ

a = 0. (B) Aumentando o valor de T

a diretamente ou aumentando σ variabilidade

a aumenta a morte celular em ambientes lotados, e pode impedir regulamentada crescimento devido à irregularidade ambiental de estabelecer uma posição em condições onde o crescimento autónomo, de outra forma ocorrer. T

e = 0,3, σ

e = 2.0.

Para determinar directamente se aumentos no crescimento de células em tecidos vivos alterar variação nos parâmetros de forma de células que são críticos para a relevância da nossa modelo de computador, analisamos alterações nessas características morfológicas durante as fases iniciais de hiperplasia e formação de carcinoma ductal in situ (DCIS), durante a progressão do câncer de mama em C3 transgênica (1) -SV40Tag ratos. fêmeas transgénicas desenvolvem espontaneamente tumores mamários ao longo de um curso de tempo de 8 a 20 semanas de idade, de uma maneira muito robusta [51], [52]. a progressão do cancro nestes tecidos mamários ocorre através de um aumento do crescimento e perda de diferenciação, tal como medido pela expressão diminuída de estrogénio e progesterona (Figs. 3A-D). A heterogeneidade regional do microambiente do tecido durante a progressão do câncer também é claramente evidente neste modelo como glândulas mamárias 16 semana individuais contêm dutos que apresentam diferentes estágios de formação de tumores (ou seja, normal, hiperplásico e DCIS), separadas por apenas pequenas distâncias dentro de uma mesma glândula (Fig. 4A), apesar de o fundo genético idêntico e expressão semelhante de SV40 grande T transgene [51] (Fig. 3A). Esta heterogeneidade ductal foi observada em todos os animais estudados e em todos os pontos de tempo analisados.

(A), proliferação de células tumorais (PCNA) e a diferenciação (RctE e PR) foram alteradas em hiperplásico e condutas DCIS comparação com condutas normais enquanto a expressão do transgene permaneceu semelhante (SV40). Barra de escala: 20 ^ m. (B-D) Análise morfométrica da heterogeneidade ductal (N, normal; H, hiperplásico; D, DCIS). (B) o crescimento de células epiteliais (% de células PCNA positivas) aumentou ligeiramente, mas significativamente, em condutas de DCIS comparação com condutas normais enquanto que a percentagem de células que expressam o (C) ERa e (D) PR diminuiu significativamente em condutas DCIS em relação ao normal (* ,

p

. 0,05)

(a) as variações regionais na progressão do câncer de mama observado no mesmo glândula mamária isolado de um rato transgénico 16 semanas de idade. Note que os ductos normais (N), dutos hiperplásicas (H) e dutos DCIS-assemelhando-se (D) pode ser encontrado nas proximidades da mesma glândula (barra de escala: 100 mm). (B) de alta ampliação H E colorações de normal, hiperplásico e dutos DCIS em 16 semanas de idade, fêmeas transgénicas destacando alterações na forma de células epiteliais que acompanham a progressão do câncer, quando as células se tornam cada vez mais pleiomorphic. (C) histogramas mostrando módulos de epitélio e estroma periductal de diferentes condutas normais e CDIS medidos dentro das mesmas 16 semanas de idade glândulas mamárias transgênicos usando AFM de Young. (D) rigidezes média medida nas epiteliais e estromais compartimentos do normal versus dutos DCIS dentro dos mesmos glândulas de 16 semanas de idade (*,

p Art 0,05).

Mais importante, estas variações regionais na fenótipo foram acompanhadas por alterações em células e forma nuclear (Fig. 4B), bem como aumentos locais em ambos epitelial e estromal rigidez (Fig. 4C, D). A rigidez foi medida utilizando a microscopia de força atómica (AFM) e tanto o perfil de distribuição das rigidezes de medição (Fig. 4C) e os valores de rigidez média aumentou significativamente tanto para epitélio e estroma quando condutas normais foram comparados às condutas DCIS dentro glândulas de 16 semanas (Fig . 4D). densidades de embalagem celular também aumentou: células dentro da monocamada epitelial que alinharam ductos mamários normais tiveram uma média de 2,9 ± 1,1 vizinhos de células epiteliais (Figuras 5A, B.), quando analisada em cortes histológicos usando análise de imagem computadorizada. dutos hiperplásicas, que são caracterizadas por um aumento da proliferação celular e a presença de células no interior do espaço luminal, mostrou um aumento no número médio de vizinhos de células (3,7 ± 1,2) e análise da forma da distribuição também revelou um aumento significativo na variância destes dados (

P

0,05; unicaudal teste F;. As Figs 5A, B). As células dentro dos dutos de DCIS, que são frequentemente ampliadas e completamente preenchidas por células hermeticamente embalados, mostrou tanto a maior média (5,5) ea maior variação (desvio padrão = 1,9) em número de vizinhos celulares, e este nível de variância foi significativamente aumentada em comparação à que é exibida por células em condutas tanto normais e hiperplásicas (

P

10

-24; unicaudal F-teste). Assim, estes resultados suportam a hipótese de chave do nosso modelo de simulação, o que é que o crescimento celular aumentada está associada com um aumento na variância dos parâmetros morfológicos de células, que se reflecte pela variação no número de células vizinhas, durante a progressão do cancro. Curiosamente, o aumento da variância como o número de vizinhos da célula aumenta no modelo murino foi muito semelhante ao observado no nosso simulação por computador, e de modo semelhante a variância do número de vizinhos aumentou com a progressão do cancro em ambos os modelos murinos e de simulação (Fig . 5). frequência

(a) vizinho contagem para normal (quadrado), hiperplasia (círculo), e CDIS () dutos triângulo. (B) A média eo desvio padrão para a vizinha contagem para cada classe duto. (C) Variação no vizinho contagem aumenta com a progressão do tumor, tanto em cortes histológicos (esquerda, progressão medido pela área da conduta cheio) e nas fatias correspondentes a partir do modelo de simulação (à direita, a progressão medido pelo tempo do início da simulação). (D) Relação entre a média e variância no vizinho contar em cortes histológicos (esquerda) e correspondentes fatias de modelo de simulação (direita). T

e = 0,125, σ

e = 0,667.

Discussão

Neste estudo, descrevemos um modelo de simulação em que aumentou a variabilidade dos parâmetros dos glóbulos fenotípicas, causada por variações estruturais em microambientes tecidos que alteram o número de vizinhos celulares e forma da célula, pode levar a patologias de crescimento sustentado que são consistentes com a progressão do câncer. Nenhuma alteração genética é necessária e o transplante de uma célula que se comporta mal em um ambiente normal irá restaurar o seu comportamento normal neste modelo, o que é consistente com a observação de que algumas células cancerosas param de se dividir e submeter histodifferentiation normal quando posta em contacto com ECM normal, [4], [19], [20], [32], [53], ou quando fisicamente comprimido [11]. Apesar de mutações genéticas não são necessários para iniciar este processo, tanto a diminuição fidelidade genética e aumento da proliferação celular provavelmente vai levar a aumentos nas taxas de mutação genética que pode realimentar para acelerar ainda mais o processo de transformação neoplásica. Isto é consistente com a observação de que tumores em estágio terminal que resultam de alterar a estrutura ECM só

in vivo

(por exemplo, expressando constitutivamente a enzima ECM-degradante, estromelisina), na verdade, apresentam mutações genéticas e anomalias cromossómicas que são clássicos características de malignidade [1].

Embora os nossos resultados foram o produto de uma simulação em computador, histológica e analisa micromecânica de glândulas mamárias de C3 transgénicos (1) -SV40Tag ratinhos com 16 semanas de idade confirmou que as variações locais em a progressão do cancro da mama que são observadas nas condutas mamarias individuais se correlacionam com alterações locais na mecânica de tecido da mama, bem como uma maior variabilidade na forma das células vizinhas e célula-célula relações. É importante ressaltar que esses aumentos na variabilidade estrutural que se associam com a progressão do tumor

in vivo

correspondiam estreitamente às variações nas relações de vizinhança que assumimos estar afetando o comportamento em nosso modelo de simulação (Fig. 5).

trabalho Praticamente todo o passado na carcinogênese centrou-se sobre a base genética da doença; No entanto, também é crucial para entender como fatores não-genéticos contribuem para a formação do câncer, porque é agora claro que as pistas do microambiente, incluindo alterações locais na ECM, angiogênese e do estroma circundante, pode desempenhar um papel igualmente importante na formação e progressão de cancro [ ,,,0],19], [34], [54], [55]. A maioria dos modelos de computador anteriores do tumorigênese focado principalmente na mutação genética [43], [56] ou na angiogénese e vascularização [39], [40], [41], [45], muitas vezes com o objetivo de fazer previsões quantitativas detalhadas de crescimento [38], [43], [46].