La expansión de células tumorales desafía la física actual

Investigadores del IBEC y la UB descubren que la expansión de células tumorales no obedece las leyes de la física tal y como están formuladas actualmente. Este descubrimiento está impulsado por la Fundación Bancaria “la Caixa”.

En un artículo publicado hoy en la revista Nature Physics, los investigadores reformulan estas leyes y desarrollan un nuevo marco que puede contribuir a predecir las condiciones en las que los tumores inician la metástasis.

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Un tumor maligno se caracteriza por su capacidad de diseminarse por su entorno. Para que esto ocurra, las células del tumor deben adherirse al tejido que las rodea (principalmente colágeno) y ejercer fuerzas sobre él para propulsarse.

En un estudio publicado hoy en la revista <em>Nature Physics</em>, un equipo liderado por Xavier Trepat, investigador ICREA en el Instituto de Bioingeniería de Catalunya (IBEC) y Jaume Casademunt, catedrático de física en la Universidad de Barcelona (UB), desvelan las fuerzas que ejercen las células tumorales para esparcirse. Sorprendentemente, la relación entre estas fuerzas y el movimiento celular trasciende las leyes de la física tal y como están formuladas actualmente.

Conjunto de células de cáncer de mama adheridas a una superficie rica en colágeno. Se puede observar el citoesqueleto de actina en verde, revestido de miosina activa (ppMLC) en rojo, y las uniones célula-célula (E-cadherina) en azul.

Los investigadores situaron células de tumores de mama sobre una superficie rica en colágeno y observaron cómo se expandían. Tecnología desarrollada por el grupo de Trepat les permitió medir las fuerzas físicas ejercidas por las células durante este proceso, algo que no se había conseguido hasta ahora. Con este método, descubrieron que la expansión del tumor depende de una competición entre fuerzas: las células se agarran entre ellas, manteniéndose unidas y, a la vez, se agarran a su entorno para escaparse. En función de qué fuerza predomine, el tumor mantendrá una forma esférica o se esparcirá completamente sobre la superficie.

Conjunto de células de cáncer de mama empezando a despegarse de una superficie para formar un agregado esférico. En rojo observamos el citoesqueleto de actina estirando de las adhesiones al sustrato (paxilina), marcadas en verde.

“Es un proceso muy parecido al que ocurre cuando ponemos una gota de agua encima de una superficie. En algunas superficies, la gota se esparcirá completamente, como ocurre en una baldosa, mientras que en otras superficies permanecerá casi esférica, como ocurre en la tela impermeable de un paraguas” explica Carlos Pérez, investigador en el IBEC, becario de “la Caixa” y primer autor del artículo.

Pese a las similitudes encontradas entre los tumores y los líquidos cotidianos, la física de ambos fenómenos es muy distinta. “El mojado de superficies es un problema central de la física clásica que comprendemos muy bien. Sin embargo, los tumores parecen regirse por leyes muy distintas” afirma Ricard Alert, investigador de la UB, becario de “la Caixa” y coautor del artículo. A diferencia de los fluidos pasivos, las células son capaces de generar fuerzas y desplazarse por sí mismas. Esto convierte los tejidos biológicos en fluidos activos y, en particular, los tumores en gotas activas. Así pues, entender la expansión de tumores sobre una superficie ha requerido el desarrollo de una nueva teoría física que los investigadores han llamado “mojado activo”.

“Cuando pensamos en estados de la materia, solemos pensar en sólidos, líquidos o gases. Nuestros resultados y los de otros laboratorios indican que las células vivas no encajan en este esquema y se comportan como otra forma de la materia, que llamamos materia activa”, afirma Jaume Casademunt. Cuando aparece un tumor, las células acumulan mutaciones y sus propiedades mecánicas cambian. Generalmente, las células tumorales pierden uniones entre ellas y ganan uniones con su entorno. Mientras el tumor crece, el propio entorno es también modificado, aumentando su cantidad de colágeno y su rigidez.

Jaume Casademunt, Carlos Pérez y Xavier Trepat

“Nuestros experimentos revelan que estos cambios son suficientes para que se desajuste el balance de fuerzas de un tumor, provocando que las células empiecen a diseminarse por su entorno,” explica Xavier Trepat.

Este descubrimiento pone de relieve la importancia de las fuerzas físicas en la metástasis, abriendo la puerta a desarrollar terapias para alterar la mecánica de los tumores como posible tratamiento.

El estudio ha sido financiado por el MINECO, la Generalitat de Catalunya, el European Research Council (ERC), la Comisión Europea (MECHANOCONTROL), CIBER-BBN, y la Obra Social “La Caixa”.

Carlos Pérez-González, Ricard Alert, Carles Blanch-Mercader, Manuel Gómez-González, Tomasz Kolodziej, Elsa Bazellieres, Jaume Casademunt, Xavier Trepat (2018). Active wetting of epithelial tissues. Nature Physics, epub ahead of print