Từ lâu, khối u đã nổi tiếng với việc cứng hơn các mô bình thường, khiến chúng có thể được phát hiện thông qua sờ nắn. Tuy nhiên, các nhà khoa học nghiên cứu tế bào ung thư riêng lẻ lại phát hiện ra rằng các tế bào này mềm. Độ mềm này rất cần thiết để khối u di căn bằng cách len lỏi qua các mô và mạch máu xung quanh trên đường xâm chiếm các vị trí mới. Tính chất nghịch lý của khối u vừa mềm vừa cứng khi bác sĩ chạm vào đã gây khó hiểu cho các nhà khoa học và bác sĩ lâm sàng trong nhiều thập kỷ.
Nhưng giờ đây, sau hơn sáu năm trao đổi qua lại với các nhà phản biện và tạp chí khoa học, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ nhiều lĩnh vực khoa học và y tế khác nhau tuyên bố họ đã giải được bí ẩn này: Khối u vừa cứng vừa mềm. Các “ốc đảo” tế bào khối u cứng xen kẽ trong một “biển” tế bào lỏng, nhóm nghiên cứu báo cáo vào ngày 29 tháng 9 trên tạp chí Nature Physics. Sự sắp xếp đặc biệt này làm cho các khối u ung thư đủ cứng để đẩy các mô xung quanh khi khối u phát triển nhưng cũng đủ mềm để cho phép di căn. Các nhà khoa học đứng sau công trình nghiên cứu này cho biết, những phát hiện này có thể dẫn đến một dấu ấn tiên lượng mới cho bệnh nhân ung thư, giúp đảm bảo những người có nguy cơ di căn thấp hơn không phải trải qua các phương pháp điều trị nặng nề không cần thiết.
“[Đây là một khối lượng công việc rất ấn tượng,” Paul Janmey, một nhà vật lý sinh học tại Đại học Pennsylvania, người không tham gia nghiên cứu, nhận xét. “Đó là đỉnh cao của rất nhiều nỗ lực của cả những người làm thực nghiệm và các nhà lý thuyết.”
Nhà ung thư vật lý Josef Käs tại Đại học Leipzig, cùng với một nhóm gần ba mươi nhà khoa học từ các nhà vật lý, bác sĩ lâm sàng đến các chuyên gia hình ảnh, đã bắt đầu giải quyết trường hợp các khối u cứng tế bào mềm và tìm ra chính xác cách các tế bào có vẻ mềm lại có được độ cứng của chúng.
Käs và các nhà vật lý khác trong nhóm đã có linh cảm rằng giải pháp có liên quan đến một hiện tượng vật lý gọi là “jamming” (tắc nghẽn): khi một chất như cát, chẳng hạn, chảy dễ dàng trong đồng hồ cát nhưng trở nên “tắc nghẽn” khi áp suất được tác dụng, đó là điều cho phép một người đứng trên cát ở bãi biển. Họ nói rằng ít ai nghĩ đến việc áp dụng khái niệm vật lý này cho vật chất hữu cơ, nhưng việc thực hiện điều đó đối với khối u hóa ra không hề đơn giản. Để kiểm tra các đặc tính tắc nghẽn ở ung thư, Käs và nhóm nghiên cứu cần kiểm tra khối u ở nhiều quy mô: tế bào đơn lẻ, cụm tế bào và toàn bộ khối u. Và điều đó đòi hỏi một loạt các phương pháp.
Ở quy mô khối u, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chụp cộng hưởng từ đàn hồi (MRE) – một loại MRI dành cho tế bào sử dụng sóng âm và hình ảnh để xác định các đặc tính hóa học của chúng – trên các khối u kích thước centimet lấy từ ung thư vú và ung thư cổ tử cung. “Nếu bạn muốn hiểu các đặc điểm cơ học của một mảnh mô, thì chỉ lấy mảnh mô vĩ mô và đặt nó vào một thiết bị cung cấp cho bạn mô đun [độ cứng] là không đủ,” Janmey nói. “Chụp cộng hưởng từ đàn hồi có thể tốt hơn nhiều vì nó có thể xem xét mọi thứ in vivo và ở độ phân giải không gian tốt hơn.”
Đó là một điều quỷ quái. Với tư cách là một nhà khoa học vật liệu, thật thú vị khi tìm thấy trạng thái vật chất kỳ lạ mới này. Với tư cách là một con người, nó khiến bạn sợ hãi.
—Josef Käs, Đại học Leipzig
Ở cấp độ cụm tế bào, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để thực hiện phép đo độ lõm tế bào trên cùng các khối u vú và cổ tử cung, thăm dò các cụm tế bào riêng lẻ và quan sát độ đàn hồi của chúng. Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học đã thực hiện các thử nghiệm này trong bóng tối: Họ không thể phân biệt được liệu họ đang thăm dò mô liên kết hay mô tế bào. Käs và phần còn lại của nhóm đã sử dụng một loại thuốc nhuộm huỳnh quang mới gọi là SPY-DNA để hình dung nhân của mỗi tế bào, cho phép họ nhìn thấy các loại tế bào họ đang thử nghiệm trong thời gian thực.
Sau đó, ở cấp độ tế bào đơn lẻ, họ đã sử dụng thiết bị kéo căng tế bào quang học để kéo các tế bào riêng lẻ ra, thu thập thông tin về hành vi cơ học của mỗi tế bào và cách nó thay đổi giữa các loại tế bào khác nhau trong cùng một khối u. Với tất cả ba quy mô thử nghiệm độ đàn hồi, Käs và nhóm nghiên cứu có thể xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh về các tế bào tạo nên khối u.
Các thử nghiệm đa quy mô cho thấy trung bình 75% tế bào trong mỗi khối u là mềm. Phần còn lại, cứng hơn, nằm trong các cụm phân bố đều khắp khối u. Các “ốc đảo” tế bào cứng này tạo ra lực căng giữa các tế bào mềm hơn xung quanh, khiến toàn bộ khối u “tắc nghẽn” chống lại các lực bên ngoài mặc dù phần lớn được cấu tạo từ các tế bào mềm. Thiết lập này đảm bảo rằng khối u có thể đẩy các mô khỏe mạnh ra khỏi đường khi chúng phát triển. Trong khi đó, các tế bào mềm vẫn có thể hoạt động như một chất lỏng, cho phép chúng len lỏi qua các mô xung quanh và di căn.
“[Đó là một điều quỷ quái,” Käs nói. “Với tư cách là một nhà khoa học vật liệu, thật thú vị khi tìm thấy trạng thái vật chất kỳ lạ mới này. Với tư cách là một con người, bạn sẽ sợ hãi khi ung thư điều chỉnh một cách hoàn hảo các đặc tính của tế bào đơn lẻ và điều chỉnh các đặc tính tập thể như thế nào. Đây thực sự là trạng thái tối ưu để nó vừa mở rộng vừa di căn cùng một lúc.”
Janmey nói rằng nghiên cứu này là một bước tiến lớn hướng tới việc hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các tế bào khối u và tầm quan trọng của vị trí tế bào hơn là chỉ các đặc tính cơ học của bản thân tế bào. “Khái niệm rằng chức năng của tế bào phụ thuộc rất nhiều vào vùng lân cận cục bộ của nó ngày càng được công nhận là một ý tưởng quan trọng,” ông nói.
Käs cho biết ông hy vọng sử dụng phát hiện mới này để dự đoán tốt hơn tiên lượng của bệnh nhân ung thư, đảm bảo rằng các phương pháp điều trị như hóa trị thường đi kèm với các tác dụng phụ nghiêm trọng chỉ được áp dụng cho những người cần chúng nhất. Biết rằng chỉ các tế bào khối u lỏng mới di căn, Käs nói rằng các nhà khoa học có thể đo tỷ lệ phần trăm tế bào lỏng trong khối u để xác định nguy cơ di căn chính xác hơn so với các dấu ấn trước đây. Độ chính xác cao hơn trong việc đo lường nguy cơ di căn có thể giúp những người có nguy cơ thấp tránh khỏi các phác đồ điều trị suy nhược, cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống của họ, ông nói.
Tuy nhiên, ông nói, những tương tác tế bào này rất phức tạp và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để hiểu đúng về chúng trước khi những phát hiện này có thể được đưa vào thực hành lâm sàng.
“Bức tranh không phải là đen trắng,” Käs nói với The Scientist. “Khi thấy sự tương tác giữa sự tăng sinh cao, khả năng di chuyển cao và các kiểu hình mới nổi lên, sẽ rất thú vị để xem ung thư sẽ tiến triển như thế nào.”
