物理学者は、ブリルアン散乱を使用して化学療法の有効性を評価します

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フランスの科学者は、ブリルアン散乱を使用して、癌の機械的特性をその場で測定し、化学療法の有効性を評価できることを示しました。これを行うために、科学者たちは、フルオロウラシル溶液に入れられたSW480またはHCT116癌細胞からのスフェロイドを通過する可視光のスペクトル線のシフトと広がりを観察しました。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

癌性腫瘍は、膜貫通結合および細胞外マトリックス間の相互作用によって相互接続されているいくつかのタイプの細胞で構成されています。機械的な観点から、この構造は多孔質弾性材料と見なすことができます-細胞の細胞骨格によって形成され、細胞内および中間(間質)液で満たされた弾性フレームです。腫瘍が成長するにつれて、外側の組織が腫瘍をますます強く圧迫し、体液が徐々に排出されます。残念ながら、科学者はこのプロセスがどのように行われるかについてまだほとんど理解していません。同時に、それは腫瘍内の薬物の送達と保持に直接影響します(化学療法)。さらに、いくつかの研究は、収縮が細胞増殖を促進し、転移の形成を引き起こす可能性があることを示しています。したがって、腫瘍の機械的特性を研究することが重要です。

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がんスキーム:弾性フレームと流体の流れ

エラストグラフィは、腫瘍の機械的特性を決定するための標準的なアプローチです。このような研究の過程で、サンプルはゆっくりと(1秒間に数回以下)引き伸ばされて圧縮され、外部の影響(変形波など)に対するその応答がセンサーによって記録されます。このアプローチは、弾性フレームの基本的な特性をキャプチャしますが、流体を見逃します。流体は、調査中に実際には移動しません。さらに、腫瘍内の応力の分布を復元することはできません-原則として、科学者はそれが均一であると想定していますが、光コヒーレンストモグラフィーはそうではないことを示しています。残念ながら、科学者はまだこの分布の正確な形を確立することができていません。したがって、既存の方法では、腫瘍の機械的特性を徹底的に研究することはできません。

トーマス・ドゥウーが率いる科学者のグループは、マンデリシュム-ブリルアン散乱に基づく顕微鏡を使用して、これらの欠点を克服しようとしました。言い換えれば、物理学者は、可視光の単色波でサンプルを照らし、サンプルを通過した放射線のスペクトルを測定することを提案しました。電磁波は媒体の自然な弾性振動(超音波)と相互作用するため、それらのスペクトルの歪みを使用して、弾性フレームだけでなく、それに含まれる液体も考慮して、サンプルの機械的特性を判断できます。数年前、この方法は、生体から抽出された個々の細胞や生体組織を研究するためにすでに使用されていました(exvivo)。しかし、いくつかの種類の細胞からなる癌性腫瘍の研究にはまだ使用されていません。

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実験セットアップ図

ブリルアン散乱を使用して腫瘍の進化を観察できることを示すために、科学者は試験管内でその複雑な構造を再現しました(invitro)。これを行うために、彼らは結腸直腸癌細胞の2つの異なる系統(SW480およびHCT116)のスフェロイドを作成し、栄養溶液で満たされたウェルに配置しました。科学者たちは合計で、スフェロイドを使って96個のウェルを作り、それらをインキュベーターに入れて、人体の内部の状態(温度37℃、二酸化炭素濃度5%)をシミュレートしました。次に、物理学者がサンプルを光学レーザー(100ナノメートルのオーダーの波長)で照射し、スペクトル線のシフトと広がりを測定しました。その結果、科学者は画像内の栄養溶液とさまざまな種類の細胞を区別することができました。さらに、研究者は、サンプルを通過した放射線のスペクトル特性がサンプルの異なる部分で異なることを発見しました。科学者によると、これは、回転楕円体の端の近くよりも中心の方が機械的応力が大きいことを示しています。残念ながら、研究者たちはスペクトルの歪みと機械的応力を明確に結び付けることができませんでした。

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栄養溶液のスペクトル(赤)とスフェロイドをシミュレートする腫瘍(青)

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HCT116(白)およびSW480(灰色)から回転楕円体を透過した放射のスペクトル線のシフト(a)および広がり(b)

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HCT116回転楕円体のスペクトル線のシフトの強度(上段)と広がり(下段)。左-空間分布、右-放射状に平均化された分布

最後に、物理学者は、提案された方法を使用して、化学療法中に腫瘍の発生を観察することが可能であることを示しました。これを行うために、彼らはHCT116細胞からのスフェロイドを結腸直腸癌の治療に使用される薬剤であるフルオロウラシル(5-フルオロウラシル、5-FU)の溶液に入れ、スフェロイド1のさまざまな部分でスペクトル線のシフトと広がりを記録しました。治療開始から1日後および2日後。その結果、科学者たちは、回転楕円体が柔らかくなり、緩くなり(スペクトル線のシフトが減少し、幅が増加し)、直径が減少することを発見しました。さらに、測定では、薬物が2日目にのみ回転楕円体の中心に到達したことが示されました。それ以前は、その光学的および機械的特性は端の近くでのみ変化していました。これらの観察は、位相差イメージングと死んだ細胞の濃度の測定を使用して、物理学者によって確認されました。したがって、科学者によって提案された方法は、その場で機械的特性を測定し、化学療法の過程を監視することを可能にします。

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(a)治療開始日、1日後および2日後のスフェロイドの写真。 (b)治療の異なる日の中間領域だけでなく、リムの端と中心の近くのスペクトル線のシフト(左)と広がり(右)

新しい物理的プロセスの発見は、腫瘍の治療を含む医師の仕事を簡素化するのに役立つことがよくあります。たとえば、2017年4月、MITの研究者は、量子ドット(狭いスペクトル範囲で発光できるヒ化インジウムナノ結晶)を使用して、生きているマウス内の臓器や組織を調べました。特に、新しい方法を使用して、科学者はマウスの脳腫瘍の成長を追跡しました。 2017年8月、デューク大学の物理学者は、星の形をした金ナノ粒子を使用してマウスの抗腫瘍免疫応答を強化しました。その結果、科学者は一部のマウスの癌を治療するだけでなく、それらに対して「ワクチン接種」することもできました。同じタイプの腫瘍の発生。最後に、2018年11月、アメリカのバイオエンジニアは、磁性ナノ粒子を使用してゲノム編集システムのコンポーネントをターゲットに配信するアプローチを開発し、マウスの癌で遺伝子を破壊しました。

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