医学最前沿024|纯物理学视角下的肿瘤生长理论

2021
02/07

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晔问仁医
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生命,从来就不简单。

无论是积极主动为自己搭建延续生命平台的落地生根,还是勇敢撕裂硬壳用耐心和智慧摆脱各种危险的夏蝉,都值得我们尊重和敬畏。

每一秒钟,都有数百万个缜密有序的化学反应发生在一个细胞内;数十亿个单细胞生物体可以形成群落;数万亿个细胞可以精确地粘附在一起,形成组织和器官。

然而,尽管生命具有如此高的复杂性,它们却是很容易识别的。物理学家认为,这种可识别性或许源自于构成所有生命基础的基本物理学原理。他们正在寻找一种基于这些原理的数学理论,以解释生命为什么可以存在,以及生命是如何运作的。

来自杜克大学等机构的科学家们通过研究开发出了一种能预测肿瘤生长的新策略;研究人员并不只专注于细胞生长的生物学机制,而是利用热力学和肿瘤扩张的物理空间来预测其从单个细胞向复杂癌变肿块的过程。研究发表在1月15日的《生物系统》(Biosystems)杂志上。

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生命方程式

问题一

存在生命方程式吗?

问题二

纯物理学理论也可以研究癌细胞生长?

追求卓越,超越自我 

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肿瘤生长

>>>物理特性<<<

揭秘

存在生命的物理方程式吗?

尽管生命具有如此高的复杂性,它们却是很容易识别的。物理学家认为,这种可识别性或许源自于构成所有生命基础的基本物理学原理。他们正在寻找一种基于这些原理的数学理论,以解释生命为什么可以存在,以及生命是如何运作的。

研究者Ehsan Samei表示,当科学家们提到癌症时首先想到的是生物学特性,这时候往往会忽略掉癌细胞生长模式的物理特性,以及肿瘤如何与其周围组织相互作用,并为其细胞提供养分,而这是迄今为止并没有被很好研究的一个方面。

物理学家喜对理论进行统一。这些理论把复杂的现象归结成一组概念,表述这些概念的数学公式可以做出非常成功的预测。例如,热力学定理可以准确的预测将一壶水煮沸需要多长时间,它们解释了能量在从原子到飓风等一系列不同尺度的系统中的运动。

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特性

癌细胞生长模式的物理特性?

杜克大学医学院放射学教授埃桑·萨米(Ehsan Samei)说:“当科学家想到癌症时,首先想到的是生物学,他们往往忽略了其生长方式的物理学现实过程。” “还有一个问题是肿瘤如何与其周围的环境相互作用,并为细胞提供营养,这是迄今为止还没有被特别关注的一个领域。”

“我们的理论使用了自然系统如何生长和重组的基本概念,以获得更多关于生物流体系统的相关研究,”杜克大学JA Jones机械工程杰出教授Adrian Bejan说。“它不仅解释了这种增长应该如何发生,而且还解释了为什么必须发生这种增长。”

这项新的工作是基于Bejan在1996年提出的构造法则,该法则指出,要使一个体系能生存,就必须不断发展以增加其本身的流动性机会。例如,人类血管系统已经进化为通过一些大动脉和许多小毛细血管的网络提供血流。河流系统,树枝等等都反映出相同的作用力。

在论文中,Bejan,Samei和博士生Thomas Sauer证明了肿瘤的生长和内部重组如何直接创造更大的流动以营养组织以及清除组织内垃圾通道的构建,并把这些关联在了一起。他们利用这些见解来搭建用于预测细胞簇体系化活动的结构函数,并预测关键簇的大小,这些大小标志着从一种不同的状态向另一种不同状态配置的规律。

为了验证他们的理论,研究人员将他们的预测方法与对癌症非癌性肿瘤生长方式等几项独立研究的结果进行了比较。结果表明,他们的研究使得模型中所描述的最小规模的细胞簇生长和增殖(癌)细胞的大规模动力学提供了统一的理论观点

贝扬说:“随着肿瘤的生长,血流系统变得足够大,可以通过肿瘤血管中形成产生一些可被测量到的电流。” “我们的理论揭示了这些戏剧性转变背后的纯物理学原理,并预测了何时应该发生。”

在过去的15年中,Samei一直致力于研究计算极为复杂的患者模型,以通过所谓的虚拟临床试验来测试新的干预措施和设计相关医疗流程。这些试验模拟了患者及其现有医疗流程,以进行医学评估。原先的研究中,这些模拟患者(模型)的肿瘤分析总体还是静态的。但是,凭借新的肿瘤生长理论,Samei成功地创建了动态的,不断增长的肿瘤模型,这可能为癌症研究开辟新的途径。

Samei目前正在根据他的新模型所生成肿瘤生长动态图像,将其与真实患者的图像混合,然后对比放射科医生所提供资料来进行测试,以查看它们是否能够分辨出差异。到目前为止,结果令人鼓舞。

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内容来源

杜克大学提供

2021年1月21日

参考文献

T.J. Sauer, E. Samei, A. Bejan. Cell and extracellular matrix growth theory and its implications for tumorigenesis. Biosystems, 2021; 201: 104331 DOI: 10.1016/j.biosystems.2020.104331

整理/HunTerC

编辑/芷葳

排版/正慕

图片来源/网络(侵删)

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
物理学,视角,肿瘤,医学,生命

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