Французские ученые показали, что с помощью рассеяния Бриллюэна можно «на лету» измерять механические свойства раковой опухоли и оценивать эффективность химиотерапии. Для этого ученые наблюдали за сдвигом и уширением спектральных линий видимого света, проходящего сквозь сфероиды из раковых клеток SW480 или HCT116, которые помещались в раствор флюорурацила.

Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Раковая опухоль состоит из нескольких типов клеток, которые связаны между собой трансмембранными связями и взаимодействием между внеклеточными матриксами. С механической точки зрения, эту структуру можно рассматривать как пороэластичный материал — эластичную рамку, образованную цитоскелетами клеток и заполненную внутриклеточной и промежуточной (interstitial) жидкостью. Когда опухоль растет, внешние ткани сдавливают ее все сильнее и сильнее, и жидкости постепенно вытекают. К сожалению, ученые до сих пор плохо понимают, как происходит этот процесс. В то же время, он напрямую влияет на доставку и удержание лекарств внутрь опухоли (химиотерапию). Кроме того, некоторые исследования показывают, что сжатие может усилить пролиферацию клеток и запустить процесс образования метастазов. Поэтому важно изучить механические свойства опухоли.

Схема раковой опухоли: эластичная рамка плюс потоки жидкостей / Jérémie Margueritat et al. / Physical Review Letters, 2019

Стандартным подходом, который позволяет определить механические свойства опухоли, является эластография (elastography). В ходе такого исследования образец медленно (не чаще чем несколько раз в секунду) растягивается и сжимается, а его отклик на внешнее воздействие (например, волны деформации) записывается датчиками. Этот подход ухватывает основные свойства эластичной рамки, однако упускает из вида жидкость, которая практически не двигается в ходе исследования. Более того, он не позволяет восстановить распределение напряжений внутри опухоли — как правило, ученые предполагают, что оно равномерно, однако оптическая когерентная томография показывает, что это не так. К сожалению, установить точный вид этого распределения ученые пока не смогли. Таким образом, существующие методы не позволяют исчерпывающе исследовать механические свойства опухоли.

Группа ученых под руководством Тома Деу (Thomas Dehoux) попыталась преодолеть эти недостатки с помощью микроскопии на основе рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. Другими словами, физики предложили просвечивать образец монохроматическими волнами видимого света, а затем измерять спектр излучения, прошедшего сквозь образец. Поскольку электромагнитные волны взаимодействуют с собственными упругими колебаниями среды (гиперзвуком), по искажению их спектра можно судить о механических свойствах образца, учитывающих не только эластичную рамку, но и заключенную в ней жидкость. Несколько лет назад этот метод уже использовали для изучения отдельных клеток и живых тканей, извлеченных из живого организма (ex vivo). Тем не менее, для исследования раковых опухолей, состоящих из нескольких видов клеток, он до сих пор не применялся.

Схема экспериментальной установки / Jérémie Margueritat et al. / Physical Review Letters, 2019

Чтобы показать, что с помощью рассеяния Бриллюэа можно наблюдать за эволюцией опухоли, ученые воссоздали ее сложную структуру в пробирке (in vitro). Для этого они изготовили сфероиды, состоящие из клеток колоректального рака двух разных линий (SW480 и HCT116), и поместили их в лунки, заполненные питательным раствором. Всего ученые изготовили 96 лунок со сфероидами и поместили их в инкубатор, который имитировал условия внутри человеческого тела (температура 37 градусов Цельсия и пятипроцентная концентрация углекислого газа). Затем физики просветили образцы оптическим лазером (длина волны порядка ста нанометров), измерили сдвиг и уширение спектральных линий. В результате ученым удалось различить на изображении питательный раствор и клетки разного типа. Кроме того, исследователи обнаружили, что спектральные свойства излучения, прошедшего сквозь образец, отличаются для различных частей образца. По словам ученых, это указывает на то, что в центре сфероида механическое напряжение больше, чем около краев. К сожалению, однозначно связать искажение спектра и механическое напряжение исследователи не смогли.

Спектр питательного раствора (красный) и сфероида, моделирующего опухоль (синий) / Jérémie Margueritat et al. / Physical Review Letters, 2019

Сдвиг (a) и уширение (b) спектральных линий излучения, прошедшего сквозь сфероиды из HCT116 (белый) и SW480 (серый) / Jérémie Margueritat et al. / Physical Review Letters, 2019

Интенсивность сдвига (верхний ряд) и уширения (нижний ряд) спектральных линий в сфероидах из HCT116. Слева — пространственное распределение, справа — радиально усредненное распределение / Jérémie Margueritat et al. / Physical Review Letters, 2019

Наконец, физики показали, что с помощью предложенного метода можно наблюдать за развитием опухоли в ходе химиотерапии. Для этого они поместили сфероиды из клеток HCT116 в раствор флюорурацила (5-fluorouracil, 5-FU) — препарата, который применяется для лечения колоректального рака, — а затем записали сдвиг и уширение спектральных линий в различных частях сфероида через день и через два дня после начала терапии. В результате ученые обнаружили, что сфероид стал более мягким и рыхлым (сдвиг спектральных линий уменьшился, ширина увеличилась), а его диаметр уменьшился. Кроме того, измерения показали, что лекарство добралось до центра сфероида только на второй день — до этого его оптические и механические свойства изменялись только вблизи края. Эти наблюдения физики подтвердили с помощью фазоконтрастной визуализации (phase-contrast imaging) и измерений концентрации мертвых клеток. Таким образом, предложенный учеными метод позволяет «на лету» измерять механические свойства и наблюдать за течением химиотерапии.

(a) Фотографии сфероида в день начала терапии, один и два дня спустя. (b) Сдвиг (слева) и уширение (справа) спектральных линий около края и центра ободка, а также в промежуточной области в различные дни терапии / Jérémie Margueritat et al. / Physical Review Letters, 2019