来自美国马德里卡洛斯三世大学（UC3M）和约翰霍普金斯大学（JHU）的科学家从生物力学角度分析了乳腺肿瘤的生长，并创建了一个计算模型，根据周围组织和细胞连接的特征以及其他参数，模拟癌症细胞的侵袭过程。这种类型的模型将有助于从周围微环境的机械特性（硬度、密度等）预测患者肿瘤的演变，这可以通过活检或成像技术来确定。
实体瘤的生长过程包括其通过周围组织的扩张，通常由原纤维基质（例如胶原蛋白）组成。它的扩展取决于许多因素，如肿瘤细胞的总数、它们的体积和硬度、它们获得营养的途径以及它们在其中发育的组织的机械特性。在体外实验模型的支持下，这些UC3M和JHU的研究人员开发了一个模型，可以在计算机上模拟肿瘤生长的演变，并将这些因素考虑在内。
加州大学3M分校连续体力学和结构分析系副教授、ERC 4D-BIOMAP项目负责人Daniel García González表示：“在这个模型中，我们模拟了乳腺肿瘤细胞如何入侵周围组织，以及它们如何或多或少地增殖，这取决于周围组织的硬度和多孔性，或者细胞与其他细胞的连接强度。”
为了做到这一点，研究人员使用球体来模拟细胞在不同机械条件下在真实肿瘤中的行为。这些球体由嵌入纤维基质中的肿瘤细胞组组成，其特征可以被调节。“它们是非常强大的系统，越来越多地被用于研究肿瘤行为和研究可能的疗法”，另一位研究人员、加州大学洛杉矶分校生物工程系教授Arrate Muñoz Barrutia解释道。
多亏了这些球体，研究人员能够在实验室中修改这些肿瘤的某些生物学或力学方面，并评估这些变量如何影响细胞增殖和迁移。然后，他们将这些观测结果转化为在计算模型中实现的数学方程。通过这种方式，他们能够并行测试（在计算机模拟器和实验室中使用球体的实验模型中）影响这些肿瘤生长的变量。该研究的另一位作者、JHU化学和生物分子工程部的Denis Wirtz表示：“我们新的多隔间球形系统使我们能够通过胶原蛋白密度和E-钙粘蛋白表达来控制和调节该系统的生物力学特性，这两种蛋白在乳腺癌症的发展中起着重要作用。与该团队合作，从实验和计算的角度来看这一故事是非常令人兴奋的。”
JHU团队的另一位研究人员Ashleigh Crawford补充道：“虽然在实验中，增殖和侵袭通常被测量为两个独立的参数，但我们观察到这些过程之间存在强烈的耦合。尽管使用传统的实验输出无法将其分离，但计算模型使我们能够独立研究这些过程，并从我们系统的生物力学特性中收集见解。”
研究人员表示，这项研究的未来应用前景广阔。Daniel García González表示：“如果我们知道哪些机械参数决定了肿瘤的生长程度，那么我们就可以利用这些数据来改善治疗或开发中长期新药。”Arrate Muñoz-Barrutia补充道：“我们认为，这些研究为技术的发展打开了大门，使我们能够表征肿瘤的机制，这可以为癌症治疗的选择添加相关信息。”
科学家团队还强调了多学科研究在这种情况下的重要性，因为从计算和数学到纯生物学领域都做出了贡献。该研究的另一位作者Clara Gómez Cruz是UC3M连续介质力学和结构分析系的博士生，她认为：“我在UC3M学习期间接受的生物医学工程师培训，使我能够在这项研究的各个方面进行合作，并在使用不同术语的学科之间建立沟通的桥梁。”
这项研究是4D-BIOMAP（基于4D印刷磁活性聚合物的生物力学刺激）的一部分，该项目由欧洲研究委员会通过欧盟研究与创新框架计划地平线2020（GA 947723）的ERC启动拨款资助。它还得到了美国国家卫生研究所和国家癌症研究所的资助。

来源：
https://www.news-medical.net/news/20240321/Biomechanical-model-simulates-breast-tumor-growth.aspx

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