I cambiamenti nelle proprietà meccaniche delle cellule sono tra i primi segni di sviluppo di un cancro. Fino ad ora, uno dei maggiori ostacoli all’uso della meccanica nella diagnosi del cancro è stata la mancanza di una procedura di misurazione standardizzata che garantisse riproducibilità e affidabilità dei risultati. Grazie alla cooperazione scientifica europea che coinvolge l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, questo ostacolo è stato ora rimosso.

Quando le cellule sane si trasformano in cellule tumorali, le loro proprietà meccaniche cambiano. Questa osservazione potrebbe essere utilizzata per rilevare rapidamente il cancro nei pazienti, ma solo se le misurazioni meccaniche dei campioni prelevati fossero veramente affidabili. Un passo importante verso questo obiettivo è la proposta di standardizzare le misurazioni, appena presentata in Nanoscale .

L'articolo pubblicato è il risultato di diversi anni di collaborazione tra scienziati delle università europee di Amsterdam, Barcellona, ​​Brema, Lille, Marsiglia, Milano, Münster e l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia.

Nel 1999 è stato dimostrato all'IFJ PAN che, rispetto alle cellule sane, le cellule tumorali sono caratterizzate da una maggiore deformabilità del citoscheletro, che rende loro più facile passare attraverso gli stretti vasi del sistema sanguigno e/o linfatico e formare metastasi. Oggi sappiamo che le cellule tumorali del seno, dell'intestino, della vescica o della prostata diventano più morbide già nelle prime fasi della trasformazione del tumore, mentre le cellule di altri tumori, come le leucemie, diventano più rigide.

Sebbene il cambiamento nelle proprietà meccaniche delle cellule possa essere causato anche da altri fattori, come l'infiammazione, la sua presenza rende chiaramente inevitabili ulteriori esami più precisi sul paziente.

"Se avessimo a disposizione una procedura di misurazione riproducibile, con l'aiuto di adeguate apparecchiature di laboratorio, potremmo rilevare rapidamente anomalie nelle proprietà meccaniche delle cellule, indicando fortemente la possibilità che si sviluppino cambiamenti cancerosi nel corpo del paziente", afferma il Prof. Malgorzata. Lekka (IFJ PAN) e nota che il termine "rapidamente" qui ha un duplice significato.

"Da un lato possiamo provare a diagnosticare il cancro nella fase iniziale del suo sviluppo, in cui altri test di solito non mostrano ancora cambiamenti cellulari significativi. D'altro canto, il fatto è che la procedura di misurazione in sé non è molto onerosa:non richiede grandi quantità di materiale biologico né richiede molto tempo."

I cambiamenti nelle proprietà biomeccaniche delle cellule possono essere misurati utilizzando microscopi a forza atomica (AFM). Dispositivi di questo tipo vengono generalmente utilizzati per acquisire immagini del micromondo, anche su scale che consentono il rilevamento di singoli atomi. Il punto importante qui è che negli AFM è possibile applicare una forza definita con precisione al substrato in esame mediante le loro sonde.

Se il substrato è una cellula, la sua risposta meccanica consente di determinare il coefficiente di elasticità (modulo di Young) e, su questa base, di trarre conclusioni sull'elasticità non solo delle strutture sulla membrana cellulare ma anche nelle vicinanze della cellula nucleo.

I microscopi a forza atomica non sono tra gli strumenti di laboratorio più costosi, ma non si può dire che siano economici. Fortunatamente esistono versioni più semplici:dispositivi chiamati penetratori, che non hanno la funzione di imaging, ma sono pienamente sufficienti per studiare le proprietà meccaniche delle cellule.

"Il principale fattore che finora ha limitato lo sviluppo del nostro metodo per la diagnosi del cancro non è stato quindi il costo delle apparecchiature, ma la mancanza di una procedura di misurazione adeguata. Per dirla senza mezzi termini, i risultati ottenuti in diversi laboratori, su apparecchi di diversi i produttori, su campioni preparati diversamente, non erano sufficientemente riproducibili per essere utilizzati come base per decisioni responsabili sulla direzione di ulteriori azioni mediche," spiega il Prof. Lekka.

Nel loro ultimo articolo, il gruppo internazionale di ricercatori dimostra che, seguendo una procedura attentamente sviluppata, si otterrà sempre lo stesso valore del modulo di Young per le stesse celle, indipendentemente da dove viene eseguita la misurazione o dal produttore dell'apparato utilizzato.

Il protocollo comprende, tra le altre cose, la preparazione del campione, la calibrazione dell'apparecchio di misurazione e le modalità di analisi dei risultati. Per aumentare l'affidabilità delle misurazioni, era fondamentale tenere conto dell'influenza del substrato rigido su cui erano depositate le cellule tumorali.

I cambiamenti nelle proprietà meccaniche delle cellule si verificano prima dei cambiamenti ottici nel cancro, quindi il metodo proposto consentirà di rilevare la malattia con maggiore anticipo rispetto a prima. Il valore di questo progresso varierà probabilmente tra i diversi tipi di cancro, ma ciò sarà determinato solo da studi futuri. Tuttavia, è già noto con certezza che il nuovo metodo diagnostico è più sensibile delle tecniche ottiche attualmente utilizzate nella diagnosi del cancro.

L'utilizzo di procedure di misurazione standardizzate, insieme alla registrazione e all'analisi automatica dei dati, consentirà di eseguire il test in tempi più brevi. Invece di attendere diverse settimane per il risultato, il paziente potrà riceverlo dopo pochi giorni.

Nel prossimo futuro, i ricercatori intendono concentrarsi sulla riduzione ulteriore del numero di diagnosi di falsi positivi e sulla sperimentazione della procedura in studi su entità patologiche selezionate. Prima che la tecnica per l'individuazione meccanica delle lesioni cancerose raggiunga gli ospedali, sarà ancora necessaria una fase di sperimentazione clinica, che sarà condotta in collaborazione con le unità mediche interessate.

Ulteriori informazioni: Sandra Pérez-Domínguez et al, Misurazioni affidabili e standardizzate per le proprietà meccaniche delle cellule, Nanoscala (2023). DOI:10.1039/D3NR02034G

Informazioni sul giornale: Nanoscala

Fornito dall'Istituto Henryk Niewodniczanski di fisica nucleare, Accademia polacca delle scienze