研究者使用物理工具追踪癌细胞的多样性

癌细胞是一个狡猾的对手，该疾病超越许多治疗方法的原因之一是由于癌细胞群体的多样性。研究人员发现，该种群难以表征和量化。

由康奈尔领导的团队采用一种新颖的跨学科方法，通过采用在物理学和经济学中更常用的统计建模技术来分析乳腺肿瘤细胞的行为。该团队希望通过该研究能够证明癌细胞的多样性或异质性如何受到其化学环境的影响，即与特定蛋白质的相互作用如何影响癌细胞的生长。

由吴明明领导的研究团队与CNF合作制造了包含四个相同的三通道设备的微流控芯片。该团队将乳腺肿瘤细胞和趋化因子蛋白CCL19放入每个设备中，然后使用开源软件分析癌细胞行为。

研究人员的论文“淋巴趋化因子CCL19促进了Levy分布分析揭示的3D微环境中乳腺癌细胞运动的异质性”，于2月14日发表在《综合生物学》杂志上。

农业与生命科学学院生物与环境工程学教授吴明明说：“治疗癌症非常困难。很多业内人士认为，这是由于癌症人群的多样性所致。” “比较而言，免疫细胞都拥有相似的圆形而且拥有相似的行动规律，但是癌细胞的形状和速度移动都不相同。我们知道快速移动的癌细胞更具有威胁性，但是该如何量化该异质性呢?”

另一个挑战是，只有少数癌细胞能够快速移动并造成最大的损害，而且很难找到它们。追踪这些稀有细胞的工作类似于在安德斯·赖德(该文章的共同作者)的实验室中寻找微粒子。Ryd和Wu意识到癌细胞的研究可以使用相同类型的复杂统计工具，这些工具可以帮助粒子物理学家了解稀有的能量现象，例如广受欢迎的希格斯玻色子。

Ryd说：“我们在粒子物理学中所做的实际上是统计数据分析，试图弄清楚哪些函数形式描述了我们的数据。” “在这种情况下，感兴趣的是观察离群值，进一步迁移的细胞并对其进行表征。我们在粒子物理学中使用的许多工具都非常适合这种分析。”

Wu的生物流体实验室与康奈尔大学纳米级科学技术设施(CNF)合作，制造了具有三个平行通道的微流体装置，每个平行通道的长度大约与头发的宽度相同。该团队将乳腺肿瘤细胞以及趋化因子蛋白CCL19引入了该装置。

为了模拟癌细胞轨迹，研究小组使用了Root，这是一种开放源代码软件，用于在高能物理和某些经济应用中执行统计分析。

研究人员发现趋化因子的存在导致目标癌细胞运动更快，异质性增加。

吴说：“这类似于我们作为一个社会正在努力使人口更加多样化的方式，因为我们知道，如果人口多样化，社会将更加健壮，更加健康。” “我认为癌症也是如此。它们使人口更加多样化，更加坚不可摧。”

吴说，抑制CCL19受体的治疗可能会降低肿瘤细胞的侵袭性，尽管这也可能导致癌细胞采取新的甚至更隐秘的策略生存。

通过分析这些细胞如何响应环境线索(例如化学梯度，温度，光强度和机械力)，Wu的研究小组希望阐明生物学的基本原理，而这些原理不像物理学的基本定律那么复杂。

Wu说：“物理科学中已经有很多工具，因为物理科学一直是一个非常定量的领域。” “直到最近，定量生物学才开始成形。所以我觉得这种整合是强大的，因为您无需重新发明即可进行这种建模。”