Extracto
Los cambios en la estructura de la matriz extracelular o mecánica (ECM) pueden impulsar activamente la progresión del cáncer; Sin embargo, el mecanismo subyacente sigue siendo desconocido. Aquí exploramos si este proceso podría estar mediada por cambios en la forma celular que conducen a aumentos de ruido genética, dado que ambos factores se han mostrado de forma independiente para alterar la expresión génica e inducir de conmutación destino celular. Hacemos esto mediante un modelo de simulación por ordenador que explora el impacto de los cambios físicos en el microambiente del tejido en condiciones en las que la deformación física de las células aumenta la variabilidad de la expresión de genes entre células genéticamente idénticas. El modelo revela que el crecimiento de tejido canceroso puede ser impulsado por cambios físicos en el microambiente: cuando aumenta en la variabilidad forma de la célula debido a los aumentos de crecimiento dependiente de la densidad de embalaje de células mejorar la variación de la expresión génica, el crecimiento autónomo heterogéneo y aún más desorganización estructural puede resultar, conduciendo de ese modo la progresión del cáncer a través de la retroalimentación positiva. Los parámetros del modelo que llevaron a esta predicción son coherentes con las mediciones experimentales de tejidos mamarios que se someten de forma espontánea la progresión del cáncer en C3 transgénicos (1) -SV40Tag ratones hembra, que presentan una mayor rigidez de los conductos mamarios, así como aumentos progresivos en la variabilidad de por células las relaciones de células y asociados cambios en la forma celular. Estos resultados demuestran el potencial de cambios físicos en el microambiente del tejido (por ejemplo, alterados mecánica ECM) para inducir un fenotipo canceroso o acelerar la progresión del cáncer en una población clonal a través de los cambios locales en la geometría celular y aumento de la variabilidad fenotípica, incluso en ausencia de mutación del gen .
Visto: Werfel J, S Krause, Bischof AG, Mannix RJ, Tobin H, Bar-Yam Y, et al. (2013) ¿Cómo cambios en la mecánica de la matriz extracelular y el gen de la variabilidad de expresión podrían combinarse para impulsar la progresión del cáncer. PLoS ONE 8 (10): e76122. doi: 10.1371 /journal.pone.0076122
Editor: Sui Huang, Instituto de Biología de Sistemas, Estados Unidos de América
Recibido: 23 de mayo de 2013; Aceptado: August 20, 2013; Publicado: 3 Octubre 2013
Derechos de Autor © 2013 Werfel et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan
Financiación:. Este trabajo el apoyo de una mama DOD Premio cáncer innovador (BC074986 a DEI), un cáncer de pecho del Departamento de Defensa del cáncer Premio Multi-Team (W81XWH-10-1-0565 a DEI), una beca posdoctoral Susan G. Komen (KG101329 a SK), y el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología de la Universidad de Harvard. Los donantes no tenía papel en el diseño del estudio, la recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito
Conflicto de intereses:.. Los autores han declarado que no existen intereses en competencia
Introducción
el cáncer es comúnmente considerado como una enfermedad genética, como resultado de una serie de mutaciones genéticas que desregulan el crecimiento celular y conducen a la transformación neoplásica. Mientras que las mutaciones del gen contribuyen a la carcinogénesis, el trabajo reciente ha revelado que los cambios en el microambiente del tejido también pueden iniciar y conducir la formación de cáncer. Por ejemplo, la formación de cáncer de mama puede ser inducida en ratones transgénicos expresando constitutivamente un gen que codifica una enzima que degrada selectivamente la matriz extracelular (ECM) [1], y por el contrario, algunas células cancerosas pueden ser inducidas a dejar de proliferar y diferenciarse mediante la combinación de ellos con ECM normal [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. la progresión del cáncer de mama también se acompaña de incrementos progresivos en el ECM rigidez y el crecimiento del cáncer de mama se puede acelerar o retrasar selectivamente aumentando o disminuyendo respectivamente ECM entrecruzamiento
in vivo
[9], [10]. Más recientemente, las células de cáncer de mama también se ha demostrado que someterse a una reversión fenotípica in vitro cuando se comprimen físicamente [11]. Pero mientras que la importancia de la naturaleza física del microambiente tumoral es ahora bien apreciado, el mecanismo por el cual estos cambios podría conducir (o hacia atrás) la formación del cáncer sigue siendo poco clara.
Iniciamos este estudio modelado computacional basado en la observación que los factores no genéticos también juegan un papel crítico en el control del destino y el comportamiento de las células. Un factor ambiental clave es la forma celular [12], lo que altera la expresión de genes y regula el destino celular de conmutación entre el crecimiento, la diferenciación y la apoptosis [13], [14], [15], así como entre diferentes linajes de células madre [16] , [17]. forma de la célula es, a su vez, controlada por los cambios en las fuerzas mecánicas que se compensan entre citoesqueleto contráctil de la célula y sus adherencias fuera de ECM y de otras células [13], [14], [15]. Por lo tanto, las variaciones en la estructura de la MEC o la mecánica de conmutación pueden alterar el destino celular y la morfogénesis de tejidos influencia alterando el equilibrio de fuerzas entre las células y ECM, produciendo de esta manera localizada distorsión de la forma celular. Por otra parte, lo que altera artificialmente el equilibrio de fuerzas celular mediante la supresión de generación de tensión del citoesqueleto en el epitelio en desarrollo puede conducir a relaciones célula-célula desorganizados que imitan las observadas durante las primeras etapas de la formación de tumores [18]. Por lo tanto, se ha sugerido que los cambios en las interacciones físicas entre las células y ECM pueden conducir activamente o acelerar la formación de tumores mediante la alteración de la forma celular [19], [20]. Sin embargo, cualquier aumento en la proliferación celular será acompañado por un aumento de la densidad de empaquetamiento de células que se deben comprimir las células y por lo tanto suprimir su crecimiento. Y por lo que aún no está claro cómo los cambios en la mecánica de ECM o la distorsión de la forma celular podrían conducir la formación del cáncer.
Las simulaciones por ordenador basadas en redes booleanas y los resultados experimentales indican que la dinámica de los diferentes destinos celulares que una célula particular, pueden exhibir (por ejemplo, el crecimiento, la diferenciación, la apoptosis) representan un conjunto preprogramado de programas finales comunes o "atractores" que auto-organizarse dentro de las redes de regulación de la célula [14], [21], [22]. En este tipo de modelo de red dinámica de procesamiento de la información, los estímulos generalizadas, tales como las fuerzas mecánicas, y señales moleculares específicas generan señales que conducen células para seguir diferentes trayectorias que finalmente convergen en una de un pequeño conjunto de programas de extremo común (por ejemplo, el crecimiento o diferenciación). Además, ya que el control de comportamiento de la célula implica la selección de los modos de comportamiento preexistente de la célula, la conmutación también puede ser inducida por el ruido genética (es decir, las variaciones estocásticas en perfiles de expresión génica). Expresión génica estocasticidad rige las transiciones entre diferentes destinos porque mientras dinámica de la red impulsados por estímulos específicos tienden a conducir una célula a un atractor local en espacio de estado, las transiciones entre atractores pueden ocurrir cuando el ruido empuja la célula de una cuenca de atracción y en otro [23 ]. La influencia del medio ambiente sobre estas transiciones se puede entender como algo que ocurre a través de la regulación de la amplitud del ruido [21], [24]. La importancia de estos factores no genéticos se acentúa por los experimentos que muestran la variabilidad no genético entre las células clonales [25], [26], [27], lo que refleja la expresión de genes estocásticos [25], [26], [28] y las respuestas a diferentes microambientes [26], [27], [29].
importante, la pérdida morfológica de la regularidad de la forma celular y la posición es una característica de la progresión del cáncer [29], y la formación de tumores se acompaña de una progresiva pérdida de los controles normales de forma dependiente sobre el crecimiento celular, la diferenciación y la supervivencia [27], [29], [30], [31], [32]. Además, la fidelidad de control genético parece estar estrechamente unida a la estructura nuclear y la cromatina, que a su vez son sensibles a la estructura del citoesqueleto y la regulación forma de la célula [33], [34], [35]. Por lo tanto, el aumento de variación de la forma celular que acompañan a las primeras etapas de la formación de tumores podrían desempeñar un papel activo en las transiciones del destino celular que impulsan la carcinogénesis tanto mediante el aprovechamiento de las vías de señalización mecánica y mediante la mejora de la variabilidad genética.
Impulsado por estas consideraciones, se utilizó un modelo de simulación por ordenador para investigar si los aumentos de la varianza en los parámetros morfológicos celulares causados por los cambios en la estructura de ECM o mecánica podrían conducir activamente la progresión del cáncer mediante el aumento de ruido genética (gen de expresión variabilidad) en el microambiente alterado. Estos estudios de modelización revelaron que la desregulación de control normal de comportamiento de las células debido al desarrollo de irregularidades estructurales en el microambiente del tejido puede provocar un bucle de realimentación positiva que desestabiliza aún más la estructura del tejido, lo que acelera la transformación neoplásica y que conduce a un crecimiento no restringido. Los estudios histológicos en un modelo murino transgénico de cáncer de mama apoyan nuestras conclusiones, y muestran que la progresión del cáncer se asocia con aumentos progresivos en la variabilidad de la forma celular y las relaciones célula-célula, que nuestro modelo predice promovería el crecimiento sin restricciones.
resultados
Modelo computacional de la homeostasis del tejido
Las células y tejidos de todos los órganos exhiben formas características en tres dimensiones (3D) que son muy regular en la forma, mientras que las células y tejido de la forma desorganizarse progresivamente durante formación de tumores y la progresión del cáncer. Las células individuales también presentan diferentes comportamientos en función del grado en que físicamente se extienden: en general, las células dependientes de anclaje crecen más cuando propagación, y que se apaga y se someten a la apoptosis cuando compacto, redondo o separados de sus adherencias, incluso cuando se cultivan en el presencia de concentraciones saturantes de factores de crecimiento solubles [13]. La hipótesis nos centramos en este trabajo es que las irregularidades en el entorno local de los tejidos de una célula pueden conducir a una mayor variabilidad en su forma, que también puede afectar a la fidelidad de control genético celular y, por lo tanto, conducir a una mayor variabilidad en sus respuestas a las fuerzas físicas que actúan en él para controlar su crecimiento y viabilidad.
por lo tanto, en nuestro modelo de regulación forma de tejido, el parámetro fenotípica nos centramos en la variabilidad de comportamiento es de la célula, en términos de su propensión a crecer en respuesta a la física tensión causada por la distorsión de la forma. Esta variabilidad cambia como una función de factores físicos en microambiente de la célula que alteran su forma, en particular, el número de vecinos que haga contacto, que cambia con la densidad de población de células y la disposición. El modelo está construido de manera que el crecimiento celular y la apoptosis son estrictamente regulados por las fuerzas en la célula (por ejemplo, la compactación suprime de manera fiable el crecimiento y aumenta la apoptosis) cuando una célula está en un microambiente "sano" [13], mientras que las irregularidades en el microambiente físico interrumpen que la regulación por aumento de la variabilidad de la población en las respuestas de comportamiento de las células a la tensión física o presión. El objetivo fue investigar si estos factores por sí solos podrían resultar en aumentos en el número de células y la masa de tejido a través del tiempo sin una mutación genética que ocurre en cualquier celda.
Los modelos de simulación del crecimiento del tumor y la carcinogénesis explorado en el pasado se han centrado en diferentes niveles, que van desde las células individuales [36], [37], [38], [39] a los tejidos a granel [40], [41], [42], [43], [44], [45]. Debido a las escalas de longitud pertinentes y la importancia central de la variación dentro de las poblaciones de células en nuestro estudio, hemos elegido para construir nuestra simulación como un modelo basado en agentes con cada agente que representa una celda distinta, más que como un modelo mayor parte del tejido continuo. La importancia de las fuerzas sobre la base de las ubicaciones relativas de celda dictado un off-red [36], [37] en lugar de autómata celular modelo (CA) [38], [46], por lo que las células pueden tener posiciones continuas valorada arbitrarias en lugar de ser limitado a lugares discretos.
Como más de 90% de los cánceres son epitelial en la naturaleza, se construyó nuestro modelo de simulación por ordenador para representar las células en un epitelio plano en 3D. En nuestro modelo, las células actúan como esferas adhesivos deformables en un sustrato adhesivo plana (Fig. 1A). Cada célula experimenta una fuerza de cada uno de sus vecinos, como si los centros de las dos células estaban conectados por un muelle cuya longitud resto se basa en los tamaños de celda. El sustrato también ejerce fuerzas sobre las células: verticalmente al modelo adjunto, y horizontalmente si un bordes de las celdas en un área vacía del sustrato desocupada, para modelar la forma en que una célula se propaga en un caso así. La fuerza neta que gobierna el movimiento de la célula en el espacio 3D. fuerzas externas sobre una célula se registran como la tensión, los interiores como de compresión. La tensión neta en una célula, T
totales, gobierna su tendencia hacia el crecimiento o apoptosis (Figura 1B.); una célula bajo mayor tensión tiene una mayor probabilidad de crecimiento, mientras que una mayor compresión aumenta la posibilidad de la apoptosis [13]. El nivel de la característica de la tensión a la que una célula tiende a cambiar de quiescencia al crecimiento se denomina aquí como el
umbral de expansión
(T
e). Si T
total es superior a T
e durante un intervalo de tiempo, la célula se suma un incremento de G a su volumen; cuando la célula alcanza el doble de su volumen inicial (a través de adiciones reiterativos de G en el tiempo), se compromete a la división en dos células que contienen cada uno el volumen inicial. Si T
gotas totales por debajo de la
umbral de la apoptosis
T
a, la célula se compromete a la apoptosis. Una vez que una célula se ha comprometido a ya sea el destino, se espera un tiempo τ más
e o τ
a y luego se divide instantáneamente o se desvanece, respectivamente.
(A) Dos representaciones de las células en el modelo durante equilibrio estático: la representación (izquierda) de compilación en ángulo de vista, (a la derecha) esquemática con células más pequeñas y que muestran las conexiones entre vecinos (negro, rojo, la tensión, la compresión). (B) La tensión neta T
total en una célula se trata como un valor escalar. Si la celda está bajo tensión suficiente que T
total excede el umbral de expansión T
e, que va a obtener un incremento de volumen G, dividiendo después de que el volumen alcanza el doble de su valor inicial. Si la celda está bajo compresión suficiente que T
caídas totales por debajo del umbral de la apoptosis T
a, entrará en la apoptosis. (C-F) Las instantáneas de los procesos de crecimiento desregulado después de la perturbación o la curación. Los números por debajo de instantáneas identifican el paso de tiempo. Las animaciones se pueden encontrar en línea como el apoyo a los vídeos. (C) Sin variabilidad de comportamiento (σ
e = 0), una herida en una monocapa cura rápidamente como las células proliferan y llenan el vacío, entonces cesa el crecimiento. (D) sin la variabilidad (σ
e = 0), el crecimiento excesivo inicial suave desvanece como células no en contacto con el sustrato entran en apoptosis. (E) Con la variabilidad (σ
e = 2), el crecimiento excesivo inicial leve persiste y se propaga a lo largo del tiempo. (F) El crecimiento excesivo se puede invertir y se elimina mediante la aplicación de fuerza de compresión al tejido. Comenzando en la etapa 600 el tiempo, las células en la simulación de (E) tienen su valor de T
total de bajada por una cantidad de 2.0. En todos los paneles, las células se tiñen azul si han cometido a la división (más oscuro a medida que se acercan al momento de la división), rojo si han cometido a la apoptosis (más oscuro a medida que se acercan al momento de la muerte), amarillo si han cometido que ni el destino.
el aumento de la rigidez de ECM en consecuencia el tejido en un sustrato de unión que resiste de manera más efectiva las fuerzas de tracción generada por células (es decir, en lugar de la deformación), y la señalización mecánica asociada aumenta la contractilidad celular [47 ]; esto aumenta las fuerzas de tracción ejercidas sobre las células para una geometría determinada. Por lo tanto, el aumento de la rigidez ECM corresponde en el modelo para la reducción de los valores de T
E y T
a, ya que aumenta la tensión celular y la distorsión, que se acompaña por un aumento de la división celular y disminución de la apoptosis para una geometría dada [ ,,,0],13], [18], [48], [49]
se utilizó el número de vecinos de células como sustituto de la forma de la célula detallada o la geometría:. una celda de una monocapa plana normal (una celda de alta) se tienen en promedio 6 vecinos laterales, mientras que uno en especial lleno de gente o aisladas pueden tener significativamente más o menos. Cuando el número de vecinos de células cambia de una forma persistente, la célula elige un nuevo valor de T
e y /o T
a partir de una distribución cuya media se fija pero cuya varianza (tomado para que sea proporcional a una constante σ
e o σ
a, respectivamente) aumenta con recuentos cada vez más irregulares vecino (y por tanto la variabilidad de la forma celular). Así, los factores extrínsecos asociados con geometría vecindad local afectan a la entrada de una célula en proliferación o apoptosis, tanto a través de las fuerzas ejercidas sobre la célula que activan directamente los comportamientos, y por medio de la modulación de la respuesta de la célula a esas fuerzas. Detalles del modelo se describen en detalle en los Materiales y Métodos.
Las simulaciones revelaron que sin varianza de la población en T
e (σ
e = 0), perturbaciones de corta duración a sí mismo la homeostasis tisular curan en que la morfología del tejido monocapa vuelve con el tiempo. Por ejemplo, hiriendo el epitelio mediante la eliminación de las células dentro de unos resultados zona indicados en el cierre de heridas como las células que entran en contacto los sustratos fuerzas experiencia desocupadas que hacen que se extienden sobrevivir, se mueven en el área despejada, y proliferar hasta que la monocapa se restaura después de lo cual el crecimiento se apaga debido a la compresión de células (Fig. 1C). Un epitelio hiperplásico (por ejemplo, inducida en el modelo mediante la adición de las células en la parte superior de la monocapa) también vuelve a una monocapa normal cuando se retira el estímulo de crecimiento anormal ya que las células que recubren desaparecen con el tiempo debido a la tensión que experimentan de sus vecinos es demasiado baja al apoyo propagación o crecimiento, y ambas células de redondeo y la falta de contacto con el sustrato aumentar la probabilidad de apoptosis [50] (Fig. 1D). Esto corresponde a la homeostasis en los tejidos normales de vida, en la que el epitelio mantiene su arquitectura normal cuando perturbado durante la cicatrización de heridas o un aumento temporal en la estimulación del crecimiento a través de la interacción entre las señales biomoleculares y señales reguladoras mecánicos que alteran la forma de la célula.
microambientales irregularidades producen un incremento de la varianza de los parámetros de forma
Las simulaciones por ordenador también revelaron que cuando los cambios en el microambiente en consecuencia embalaje celular en el aumento de la varianza (σ
e & gt; 0) en el comportamiento de la expansión de células (T
e ), es posible que una perturbación de otro modo el crecimiento de corta duración a persistir y diseminarse. Por ejemplo, el modelo predice que si se produce crecimiento excesivo de células y de células acumulando resultados para cualquier razón, entonces el crecimiento no regulado persistente puede resultar si existe una importante variación de población en T
e debido a la creación de un microambiente irregular que altera la variabilidad de la célula forma en la monocapa. En concreto, el aumento de vecinos de células en regiones de apilamiento de células puede conducir algunas de esas células para expresar los umbrales de expansión anormalmente bajos, dando como resultado el crecimiento desregulado y la desorganización de la morfología epitelial normal que es una reminiscencia de lesiones neoplásicas tempranas (Fig. 1E). Por tanto, estas simulaciones plantean la posibilidad de que la aparición de cada vez mayor variación en los contactos célula-célula, y cambios estrechamente relacionados en los parámetros de forma de las células causados por cualquier estímulo para el crecimiento excesivo de células, podría alimentarse de nuevo a acelerar aún más el proceso de desorganización del tejido, lo que resulta en la transformación cancerosa y la expansión celular no regulado.
Curiosamente, un reciente estudio demostró la reversión fenotípica de las células epiteliales de mama malignos a un fenotipo más normal cuando el tejido fue sometido a una fuerza de compresión [11]. Es importante destacar que nuestro modelo de simulación hace que la misma predicción: el aumento de la presión en todas las células preferencialmente los impactar en un crecimiento similar a un tumor, en donde la densidad de empaquetamiento celular es más alto y la presión es ya demasiado elevado; lo que aumenta la presión en primer lugar tienden a empujar estas células fuera de su umbral de expansión, desaceleración y detención de la proliferación. Por otra parte, aún mayor presión conduce a la muerte selectiva de las células en el tumor como la presión total cruza su umbral de apoptosis T
a. Restante células en la población que retienen los umbrales normales de expansión y luego repoblar el espacio dejado atrás, y el tejido se mantiene en reposo con un fenotipo normal a partir de entonces (Fig. 1F).
Es importante tener en cuenta que la disminución de valor de referencia de la población de T
e en ausencia de cualquier variación de población (σ
e = 0) aumentará la densidad de empaquetamiento celular de equilibrio de la monocapa [29], pero no va a dar lugar al crecimiento incontrolado hasta que T
e llega a ser suficientemente baja (Fig. 2A). El aumento de la varianza (σ
e) permite algunas células a exhibir crecimiento autónomo a valores de línea de base más altas de T
e (Fig. 2A), y por lo tanto, preferentemente estimula la proliferación en las regiones de la morfología del tejido irregular (o mecánica ECM alterados) . En contraste, el umbral de apoptosis T
a en el modelo afecta a la cantidad de presión células son capaces de soportar antes de morir. variabilidad relacionada microambiente en T
a se puede rescatar a un fenotipo canceroso debido a que algunas células en microambientes anómalamente concurridos expresan un aumento de la probabilidad correspondiente de la apoptosis. Esto puede producir la limpieza de y la normalización de la región llena de gente, por lo que es más difícil para el crecimiento irregular crowding-vinculado a establecerse y propagación (Fig. 2B). Sin embargo, la variabilidad en T
un solo no da lugar a un crecimiento anómalo en microambientes irregulares. Por lo tanto, nos centramos en la contribución de la modulación del umbral de expansión T
e en este análisis.
Para diferentes valores de (A) T
e y σ
e o (B) T
a y σ
a, los píxeles muestran qué fracción de diez experimentos de simulación independiente mantener la morfología controlada por 2000 pasos de tiempo, a partir de sobrecrecimiento (tiempo de paso 0 en la figura 1D, 1E.): blanco indica todas las carreras mantuvieron el control, negro indica que todo resultó en un crecimiento incontrolado, con valores de píxeles intermedios de resultados mixtos. A los efectos de estos experimentos, "morfología controlada" se define como menos de 100 células empujado hacia arriba fuera de la monocapa. (A) La disminución de T
e incrementa el crecimiento y a valores suficientemente bajos pueden resultar en un crecimiento continuo sin que varíen (σ
e = 0). El aumento de la variabilidad del crecimiento autónomo permite a valores más altos de T
e. T
a = -3,0, σ
a = 0. (B) Incrementar el valor de T
de una forma directa o mediante el aumento de la variabilidad σ
aumenta la muerte celular en ambientes llenos de gente, y puede evitar no regulada crecimiento debido a la irregularidad del medio ambiente de establecer un punto de apoyo en condiciones en las que normalmente se producirían crecimiento autónomo. T
e = 0,3, σ
e = 2.0.
Para determinar directamente si los aumentos en el crecimiento celular en los tejidos vivos alteran la variación en los parámetros de forma de células que son críticos para la relevancia de nuestra modelo de ordenador, que analiza los cambios en estas características morfológicas durante las primeras etapas de la hiperplasia y la formación de carcinoma ductal in situ (DCIS) durante la progresión del cáncer de mama en C3 transgénicos (1) -SV40Tag ratones. hembras transgénicos desarrollan espontáneamente tumores de mama durante un transcurso de tiempo de 8 a 20 semanas de edad de una manera muy robusta [51], [52]. la progresión del cáncer en estos tejidos mamarios se produce a través de un aumento del crecimiento y la pérdida de diferenciación, tal como se mide por la disminución de la expresión de receptores de estrógeno y progesterona (Figs. 3A-D). La heterogeneidad regional de la microambiente del tejido durante la progresión del cáncer es también claramente evidente en este modelo como 16 semana glándulas mamarias individuales contienen conductos que muestran diferentes etapas de la formación de tumores (es decir, normal, hiperplásico y DCIS) separados por sólo pequeñas distancias dentro de la misma glándula (Fig. 4A), a pesar de los antecedentes genéticos idénticos y expresión similar de SV40 T grande transgén [51] (Fig. 3A). Esta heterogeneidad ductal se observó en todos los animales estudiados y en todos los puntos de tiempo analizados.
(A) la proliferación celular tumoral (PCNA) y diferenciación (ER y PR) fueron alteradas en hiperplásico y conductos DCIS en comparación con los conductos normales, mientras la expresión de los transgenes se mantuvo similar (SV40). Barra de escala: 20 micras. (B-D) Análisis morfométrico de la heterogeneidad ductal (N, normal, H, hiperplásico; D, carcinoma ductal in situ). (B) el crecimiento de células epiteliales (% de células PCNA positivas) aumentó ligeramente, pero significativamente en los conductos de DCIS en comparación con los conductos normales mientras que el porcentaje de células que expresan (C) ER y (D) PR disminuyó significativamente en los conductos de DCIS en comparación a la normalidad (* ,
p
. & lt; 0,05) guía empresas
(a) las variaciones regionales en la progresión del cáncer de mama observado en la misma glándula mamaria aislada de un 16 semanas de edad ratones transgénicos. Tenga en cuenta que los conductos normales (N), conductos hiperplásicas (H) y los conductos de DCIS-asemejan (D) se puede encontrar en las proximidades de la misma glándula (barra de escala: 100 micras). (B) de alta magnificación H & amp; E tinciones de lo normal, hiperplásico y conductos DCIS en 16 semanas de edad, hembras transgénicas que destacan cambios en la forma de células epiteliales que acompañan a la progresión del cáncer cuando las células se hacen cada vez pleiomorphic. (C) Histogramas que muestran módulos de epitelio y el estroma periductal de diferentes conductos normales y DCIS medidos dentro de las mismas 16 semanas de edad, las glándulas mamarias transgénicos utilizando AFM de Young. (D) rigideces medio medido en los compartimentos epiteliales y del estroma de los conductos normales frente a DCIS dentro de las mismas 16 semanas de edad glándulas (*,
p Hotel & lt; 0,05).
Es importante destacar que estas variaciones regionales en el fenotipo fueron acompañadas por alteraciones en las células y la forma nuclear (Fig. 4B), así como los aumentos locales en tanto epiteliales y del estroma rigidez (Fig. 4C, D). La rigidez se midió utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM) y tanto el perfil de distribución de las rigideces medidos (Fig. 4C) y los valores de rigidez media aumentó significativamente tanto para el epitelio y el estroma cuando los conductos normales se compararon con los conductos de DCIS dentro de las glándulas 16 semana (Fig . 4D). densidades de empaquetamiento celular aumentó así: las células dentro de la monocapa epitelial que se alineaban en conductos mamarios normales tenían un promedio de 2,9 ± 1,1 vecinos de células epiteliales (Figs 5A, B.), cuando se analiza en cortes histológicos utilizando análisis de imagen computerizado. conductos hiperplásicos, que se caracterizan por un aumento de la proliferación celular y la presencia de células dentro del espacio luminal, mostraron un aumento en el número medio de vecinos de células (3,7 ± 1,2) y análisis de la forma de la distribución también reveló un aumento significativo de la varianza de estos datos (
p
& lt; 0,05; de una cola F-test;. Figs 5A, B). Las células dentro de los conductos de CDIS, que a menudo se agrandan y se rellena completamente por células muy juntas, mostraron tanto la media más alta (5,5) y la varianza más grande (desviación estándar = 1,9) en el número de vecinos de células, y este nivel de variación fue significativamente mayor en comparación a la exhibida por las células en los conductos normales y hiperplásicas (
p Hotel & lt; 10
-24; una cola prueba F). Por lo tanto, estos resultados apoyan un supuesto clave de nuestro modelo de simulación, que es que el aumento del crecimiento celular se asocia con un aumento en la varianza de los parámetros morfológicos de células, que se refleja por la variación en el número de vecinos de células, durante la progresión del cáncer. Curiosamente, el incremento en la varianza como el número de vecinos de células aumenta en el modelo murino fue muy similar a la observada en nuestra simulación por ordenador, y de manera similar la variación en el número de vecinos aumenta con la progresión del cáncer, tanto en los modelos murinos y de simulación (Fig . 5).
frecuencia
(a) Vecino recuento de lo normal (cuadrado), hiperplásico (círculo), y DCIS) conductos triángulo (. (B) La media y la desviación estándar para contar vecino para cada clase conducto. (C) La variación en vecino de recuento aumenta con la progresión tumoral, tanto en cortes histológicos (izquierda, la progresión de la medida por área del conducto de llenado) y en rodajas correspondiente del modelo de simulación (a la derecha, la progresión mide por el tiempo desde el inicio de simulación). (D) Relación entre la media y la varianza en el vecino cuentan en cortes histológicos (izquierda) y los correspondientes rebanadas de modelo de simulación (derecha). T
e = 0,125, σ
e = 0,667.
Discusión
En este estudio, se describe un modelo de simulación en el que aumenta la variabilidad en los parámetros de fenotípicas, causada por las variaciones estructurales en microambientes de tejidos que alteran el número de vecinos de células y forma de la célula, puede dar lugar a patologías de crecimiento sostenido que sean consistentes con la progresión del cáncer. No cambio genético es necesario y el trasplante de una célula mal comportamiento en un ambiente normal restaurará su comportamiento normal en este modelo, lo cual es consistente con la observación de que algunas células cancerosas dejan de dividirse y se someten a histodiferenciación normal cuando se pone en contacto con ECM normal [4], [19], [20], [32], [53] o cuando se comprimen físicamente [11]. Aunque las mutaciones de genes no están obligados a iniciar este proceso, tanto la disminución de la fidelidad genética y el aumento de la proliferación celular es probable que conduzca a aumentos en las tasas de mutación genética que podría alimentar de nuevo a acelerar aún más el proceso de transformación neoplásica. Esto es consistente con la observación de que los tumores en etapa terminal que resultan de la alteración de la estructura de ECM solos
in vivo
(por ejemplo, que expresan constitutivamente la enzima degradante del ECM, estromelisina) en realidad presentan mutaciones genéticas y anomalías cromosómicas que son clásicos características de malignidad [1].
a pesar de que nuestros resultados fueron producto de una simulación por ordenador, análisis histológico y micromecánica de las glándulas mamarias de C3 transgénicos (1) -SV40Tag ratones a las 16 semanas de edad confirmaron que las variaciones locales de la progresión del cáncer de mama que se observan en los conductos mamarios individuales se correlacionan con los cambios locales en la mecánica de tejidos mamarios, así como aumento de la variabilidad en las relaciones de la forma celular y vecino célula-célula. Es importante destacar que estos incrementos en la variabilidad estructural que se asocian con la progresión del tumor
in vivo
correspondían estrechamente a las variaciones en las relaciones de vecinos que hemos asumido para estar afectando el comportamiento de nuestro modelo de simulación (Fig. 5).
trabajo Prácticamente todos pasado sobre la carcinogénesis se ha centrado en la base genética de la enfermedad; Sin embargo, también es crucial para entender cómo los factores no genéticos contribuyen a la formación de cáncer, ya que ahora está claro que las señales microambientales, incluyendo los cambios locales en ECM, la angiogénesis y el estroma circundante, pueden jugar un papel igualmente importante en la formación y progresión del cáncer [ ,,,0],19], [34], [54], [55]. La mayoría de los modelos anteriores de computadoras de la tumorigénesis se centraron principalmente en la mutación genética [43], [56] o de la angiogénesis y la vascularización [39], [40], [41], [45], a menudo con el objetivo de hacer predicciones cuantitativas detalladas de crecimiento [38], [43], [46].