Krebszellen können bislang unbekannten mechanischen Zustand annehmen
Wenige feste Inseln aus harten Zellen in einer flüssigen Umgebung aus weichen Zellen reichen aus, dass sich Gewebe als mechanisch stabiler Festkörper verhält.
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Physikern der Universität Leipzig ist einem Paradox der Tumorbiologie auf den Grund gegangen: Einerseits können verhärtete Knoten in gesundem Gewebe ein Hinweis auf eine Krebserkrankung sein. Andererseits zeigen Messungen an einzelnen Krebszellen, dass diese weicher sind als die gesunden Epithelzellen, aus denen sie hervorgegangen sind und deshalb wahrscheinlich besser im dichten menschliche Gewebe metastieren können. Wie die Wissenschaftler herausfanden, können Krebszellen einen bislang unbekannten mechanischen Zustand annehmen.
Zur Bildung von Metastasen in gesundem Gewebe muss ein Tumor das umgebende Gewebe verdrängen. Dazu muss er einen mechanisch stabilen Widerstand erzeugen, um sich Raum zu verschaffen. Andererseits ist eine große Verformbarkeit einzelner Krebszellen vorteilhaft, um aus dem primären Tumor invasiv in anderes Gewebe einzudringen. Diese gegensätzlichen Ansprüche werden in bösartigen Tumoren erfüllt, indem die Krebszellen mechanisch heterogener und weicher werden. Sie nehmen dann einen bisher unbekannten, neuen Materialzustand an, der die Vorteile von Festkörpern und Flüssigkeiten vereint.
„Patientenproben von Brust- und Gebärmutterhalstumoren zeigen ein größeres Spektrum an mechanischen Eigenschaften, durch die sich die Krebszellen in Richtung weicherer Zellen verschieben, obwohl der gesamte Tumor eine feste Masse bleibt“, erklärt Thomas Fuhs von der Uni Leipzig.
Motiviert durch Computersimulationen fanden die Forscher in Krebszellclustern kleine Inseln von steifen, unbeweglichen Zellen, die umgeben waren von einer Mehrzahl an beweglichen, weichen Zellen. Dabei können sich die weichen Zellen fast so frei wie eine Flüssigkeit bewegen. Die steifen Zellen blockieren sich gegenseitig in ihrer Bewegung. Die Krebszellcluster in einem Tumor bilden einen neuen Materialzustand. Dabei reichen nur wenige feste Inseln aus harten Zellen in einer flüssigen Umgebung aus weichen Zellen aus, dass sich das Gewebe trotz einer Majorität von beweglichen, weichen Krebszellen nicht mehr flüssig, sondern als mechanisch stabiler Festkörper verhält.
Die Inseln von harten Zellen sind über mechanische Spannungsbrücken aus weichen Zellen verbunden. Dieser Zustand stabilisiert das Gewebe hinreichend, um Tumorwachstum zu erlauben. Gleichzeitig bietet es viel Raum für weiche, bewegliche Zellen, die aus dem Tumor ausbrechen können, um Metastasen zu bilden.
„Das Paradox, das bei Brusttumoren aus Zellen, die weicher werden, ein Gebilde entsteht, das härter ist als das ursprüngliche Gewebe, ist also nur ein scheinbarer Widerspruch. Dieser Effekt wird noch verstärkt, da hier hauptsächlich sehr weiche Fettzellen in der gesunden Brust mit Zellen verglichen werden, die zwar weicher sind als gesunde Epithelzellen, aber immer noch deutlich härter als Fettzellen“, sagt Josef Alfons Käs von der Uni Leipzig.
Bei anderen Karzinomen, zum Beispiel Cervixkarzinomen, gibt es keinen Unterschied zwischen der makroskopischen Steifheit des gesunden und des Tumorgewebes. Aber auch in diesen Karzinomen findet sich eine breitere Verteilung der Elastizität der einzelnen Krebszellen, die zu dem neuen mechanischen Zustand führen. Dieser erlaubt es, dass ein mechanischer stabiler Tumor einen hohen Grad an beweglichen, metastatisch kompetenten Zellen enthalten kann. Die Forscher vermuten, dass dies auf alle soliden Tumore und somit auf 92 Prozent aller Krebspatienten zutrifft.
Die neuen Einsichten in die Mechanik der Krebszellen und des Tumorgewebes demonstrieren, dass physikalische Prozesse wichtig sind, um das Voranschreiten eines Tumors zu verstehen. Ob die Zellen in einem Tumor komplett verklemmt bleiben, wie in gesundem Gewebe, oder sich lösen können durch weicher werdende Krebszellen, entscheidet möglicherweise darüber, ob ein Tumor metastiert.
U. Leipzig / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
T. Fuhs et al.: Rigid tumours contain soft cancer cells, Nat. Physics, online 29. September 2022; DOI: 10.1038/s41567-022-01755-0 - Peter-Debye-Institut für Physik der weichen Materie, Fklt. für Physik und Geowissenschaften, Universität Leipzig
