Agar sel kanker dapat bermetastasis, pertama-tama mereka harus melepaskan diri dari pertahanan tumor itu sendiri. Kebanyakan tumor memiliki selubung pelindung “basement” membran – lapisan tipis dan lentur yang menahan sel kanker di tempatnya saat mereka tumbuh dan membelah. Sebelum menyebar ke bagian tubuh yang lain, sel-sel harus menembus membran basal, bahan yang sulit untuk dikarakterisasi oleh para ilmuwan.

Sekarang para insinyur MIT telah menyelidiki membran dasar tumor kanker payudara dan menemukan bahwa lapisan yang tampaknya halus itu sekuat bungkus plastik, namun ternyata elastis seperti balon pesta, yang mampu mengembang hingga dua kali ukuran aslinya.

Tetapi sementara balon menjadi lebih mudah untuk diledakkan setelah beberapa upaya awal, tim menemukan bahwa membran ruang bawah tanah menjadi lebih kaku saat mengembang.

Kualitas yang kaku namun elastis ini dapat membantu membran dasar mengontrol bagaimana tumor tumbuh. Fakta bahwa membran tampak menegang saat mereka mengembang menunjukkan bahwa mereka dapat menahan pertumbuhan tumor dan potensi untuk menyebar, atau bermetastasis, setidaknya sampai batas tertentu.

Penemuan yang dipublikasikan minggu ini dalam Prosiding National Academy of Sciences , dapat membuka jalan baru untuk mencegah metastasis tumor, yang merupakan penyebab paling umum dari kematian terkait kanker.

“Sekarang kami dapat memikirkan cara untuk menambahkan bahan atau obat baru untuk lebih meningkatkan efek pengerasan ini, dan meningkatkan ketangguhan membran untuk mencegah sel kanker menerobos,” kata Ming Guo, penulis utama studi dan profesor asosiasi teknik mesin di MIT.

Rekan penulis Guo termasuk penulis pertama Hui Li dari Beijing Normal University, Yue Zheng dan Shengqiang Cai dari University of California di Santa Diego, dan MIT postdoc Yu Long Han.

Meledakkan

Membran basal tidak hanya membungkus pertumbuhan kanker tetapi juga jaringan dan organ yang sehat. Film – sebagian kecil dari ketebalan rambut manusia – berfungsi sebagai penopang fisik yang menahan jaringan dan organ pada tempatnya dan membantu membentuk geometrinya, sekaligus menjaganya agar tetap terpisah dan berbeda.

Kelompok Guo mengkhususkan diri dalam studi mekanika sel, dengan fokus pada perilaku sel kanker dan proses yang mendorong tumor untuk bermetastasis. Para peneliti telah menyelidiki bagaimana sel-sel ini berinteraksi dengan lingkungannya saat mereka bermigrasi ke seluruh tubuh.

“Pertanyaan kritis yang kami sadari belum cukup mendapat perhatian adalah, bagaimana dengan selaput yang mengelilingi tumor?” Kata Guo. “Untuk keluar, sel harus memecahkan lapisan ini. Apa lapisan ini dalam kaitannya dengan sifat material? Apakah itu sesuatu yang harus bekerja sangat keras untuk dipecahkan oleh sel? Itulah yang memotivasi kami untuk melihat ke dalam membran dasar.”

Untuk mengukur sifat membran, para ilmuwan telah menggunakan mikroskop gaya atom (AFM), menggunakan probe mekanis kecil untuk mendorong permukaan membran dengan lembut. Gaya yang diperlukan untuk mendeformasi permukaan dapat memberi peneliti gambaran tentang ketahanan atau elastisitas suatu bahan. Tapi, karena membran basal sangat tipis dan sulit dipisahkan dari jaringan di bawahnya, Guo mengatakan sulit untuk mengetahui dari pengukuran AFM apa resistensi membran, selain jaringan di bawahnya.

Sebaliknya, tim tersebut menggunakan teknik sederhana, mirip dengan meniup balon, untuk mengisolasi membran dan mengukur elastisitasnya. Mereka pertama kali membudidayakan sel kanker payudara manusia, yang secara alami mengeluarkan protein untuk membentuk membran di sekitar kelompok sel yang dikenal sebagai tumor spheroids. Mereka menumbuhkan beberapa spheroid dengan berbagai ukuran dan memasukkan microneedle kaca ke dalam setiap tumor. Mereka menyuntikkan tumor dengan cairan pada tekanan terkontrol, menyebabkan membran terlepas dari sel dan mengembang seperti balon.

Para peneliti menerapkan berbagai tekanan konstan untuk menggembungkan membran sampai mencapai kondisi stabil, atau tidak bisa mengembang lagi, lalu mematikan tekanan.

“Ini adalah eksperimen yang sangat sederhana yang dapat memberi tahu Anda beberapa hal,” kata Guo. “Pertama, ketika Anda menyuntikkan tekanan untuk membengkak, balon ini menjadi jauh lebih besar dari ukuran aslinya. Dan segera setelah Anda melepaskan tekanan, ia secara bertahap menyusut kembali, yang merupakan perilaku klasik dari bahan elastis, mirip dengan karet. balon.”

Snap elastis

Saat mereka menggembungkan setiap spheroid, para peneliti mengamati bahwa, sementara kemampuan membran dasar untuk mengembang dan mengempis menunjukkan bahwa itu umumnya elastis seperti balon, detail yang lebih spesifik dari perilaku ini sangat berbeda.

Untuk meledakkan balon lateks biasanya membutuhkan banyak usaha dan tekanan untuk memulai. Setelah balon bergerak dan mulai mengembang sedikit, balon tiba-tiba menjadi lebih mudah untuk diledakkan.

“Biasanya, setelah radius balon meningkat sekitar 38 persen, Anda tidak perlu meniup lebih keras – cukup pertahankan tekanan dan balon akan mengembang secara dramatis,” kata Guo.

Fenomena ini, yang dikenal sebagai ketidakstabilan snap-through, terlihat pada balon yang terbuat dari bahan yang elastis secara linier, yang berarti elastisitas atau kekakuan yang melekat, tidak berubah saat berubah bentuk atau mengembang.

Tetapi berdasarkan pengukuran mereka, para peneliti menemukan bahwa membran basal malah menjadi lebih kaku, atau lebih tahan saat mengembang, menunjukkan bahwa bahan tersebut elastis secara nonlinier, dan mampu mengubah kekakuannya saat berubah bentuk.

“Jika instabilitas snap-through terjadi, tumor akan menjadi bencana – tumor akan meledak,” kata Guo. “Dalam kasus ini, tidak. Itu menunjukkan kepada saya bahwa membran basal memberikan kendali pada pertumbuhan.”

Tim berencana untuk mengukur sifat membran pada berbagai tahap perkembangan kanker, serta perilakunya di sekitar jaringan dan organ yang sehat. Mereka juga mencari cara untuk memodifikasi elastisitas membran untuk melihat apakah membuatnya lebih kaku akan mencegah sel kanker menerobos.

“Kami secara aktif menindaklanjuti cara memodifikasi mekanisme membran ini, dan menerapkan gangguan pada model kanker payudara, untuk melihat apakah kami dapat menunda invasi atau metastasisnya,” kata Guo. “Ini analogi membuat balon yang lebih kaku, yang akan kami coba.”

Penelitian ini sebagian didukung oleh Alfred Sloan Foundation dan National Cancer Institute.