Ils recréent la croissance biomécanique des tumeurs du sein

Des recherches récentes ont abouti à la création d’un modèle informatique simulant la croissance biomécanique des tumeurs du sein.

Les travaux sont l’œuvre d’experts de l’Université Carlos III de Madrid (UC3M) en Espagne et de l’Université Johns Hopkins (JHU) aux États-Unis.

Les auteurs de la recherche ont analysé la croissance des tumeurs du sein d’un point de vue biomécanique et ont créé un modèle informatique qui simule le processus d’invasion des cellules cancéreuses, en fonction des caractéristiques des tissus environnants et des jonctions cellulaires, entre autres paramètres. Ces types de modèles permettront de prédire l’évolution d’une tumeur chez les patients en fonction des propriétés mécaniques (rigidité, densité, etc.) de la zone où elle se développe, qui peuvent être connues grâce à une biopsie ou à des techniques d’imagerie.

Le processus de croissance d’une tumeur solide implique son expansion dans les tissus environnants, généralement composés d’une matrice fibrillaire (par exemple du collagène). Son expansion dépend de nombreux facteurs, comme le nombre total de cellules tumorales, son volume et sa rigidité, son accès aux nutriments et les propriétés mécaniques du tissu dans lequel elle se développe. Appuyés par des modèles expérimentaux in vitro, ces chercheurs de l’UC3M et du JHU ont développé un modèle qui permet de simuler sur ordinateur la croissance de tumeurs en tenant compte de ces facteurs. “Dans ce modèle, nous avons simulé la façon dont les cellules d’une tumeur du sein se multiplient et envahissent les tissus qui les entourent, et comment elles se reproduisent plus ou moins en fonction de la rigidité et de la porosité du tissu environnant ou de la force des unions des cellules avec les autres, » explique l’un des chercheurs, Daniel García González, professeur titulaire du Département de milieux continus et théorie des structures à l’UC3M et responsable du projet ERC 4D-BIOMAP.

Pour ce faire, les chercheurs ont travaillé avec des sphéroïdes, qui sont des groupes de cellules tumorales présentant des caractéristiques différentes, incorporées dans une matrice et fonctionnant comme un modèle, simulant le comportement des cellules dans une tumeur réelle. “Ce sont des systèmes très puissants qui sont de plus en plus utilisés pour réaliser des études sur le comportement des tumeurs et également pour réaliser des études sur des thérapies possibles”, explique un autre chercheur, Arrate Muñoz-Barrutia, professeur au Département de bioingénierie. de l’UC3M.

Grâce à ces sphéroïdes, les chercheurs ont pu modifier en laboratoire certains aspects biologiques ou mécaniques de ces tumeurs et évaluer comment ces variables influencent la prolifération et la migration des cellules. Par la suite, ils ont transformé ces observations en équations mathématiques qu’ils ont implémentées dans un modèle informatique. De cette manière, ils pourraient vérifier en parallèle (dans le simulateur sur ordinateur et dans le modèle expérimental avec les sphéroïdes en laboratoire) le comportement des variables qui affectent la croissance de ces tumeurs. « Nos nouveaux sphéroïdes multi-compartiments nous ont permis de surveiller et d’ajuster les propriétés biomécaniques du système en contrôlant la densité de collagène et l’expression de la E-cadhérine, connues pour jouer un rôle dans la progression du cancer du sein. C’était très excitant de travailler avec cette équipe et de voir le développement de ces processus d’un point de vue expérimental et informatique », déclare un autre auteur de l’étude, Denis Wirtz, du Département de génie chimique et biomoléculaire du JHU.

« Alors qu’expérimentalement, la prolifération et l’invasion sont souvent mesurées comme deux paramètres indépendants, nous avons observé un fort couplage de ces processus. Bien que l’analyse de ces contributions n’ait pas pu être découplée des approches expérimentales traditionnelles, le modèle informatique nous a permis d’étudier ces processus de manière indépendante et d’obtenir des informations sur les propriétés biomécaniques de notre système », ajoute une autre chercheuse de l’équipe JHU, Ashleigh Crawford.

La ligne bleue indique le contour de la tumeur solide et la ligne jaune indique l’espace envahi par les cellules tumorales qui se détachent de la tumeur. (Image : UC3M)

Les applications futures de cette étude sont prometteuses, selon les chercheurs. “Si nous savons quels paramètres mécaniques affectent la croissance plus ou moins grande de la tumeur, nous pourrions alors utiliser ces données pour améliorer le traitement ou développer de nouveaux médicaments à moyen ou long terme”, commente Daniel García González. “Nous pensons que ces études ouvrent les portes au développement de technologies permettant de caractériser la mécanique de la tumeur, ce qui peut apporter des informations pertinentes pour le choix du traitement anticancéreux”, ajoute Arrate Muñoz-Barrutia.

L’équipe de scientifiques souligne également l’importance de la recherche multidisciplinaire dans ce cas, puisque des contributions ont été apportées dans les domaines informatique et mathématique au domaine purement biologique. “Ma formation d’ingénieur biomédical, étudiante à l’UC3M, m’a permis de collaborer à toutes les parties de cette recherche et de créer des ponts de communication entre des disciplines qui utilisent des terminologies différentes”, explique une autre des auteurs de l’étude, Clara Gómez Cruz, doctorante. étudiant au Département de Médias Continus et Théorie des Structures à l’UC3M.

L’étude s’intitule « La prolifération et l’invasion des tumeurs sont intrinsèquement couplées et révélées grâce à des modèles sphéroïdes et basés sur la physique accordables. » Et cela a été publié dans la revue académique Acta Biomaterialia. (Source : UC3M)