Matematisk model kan gøre os klogere på kræft – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Matematisk model kan g...

30. november 2018

Matematisk model kan gøre os klogere på kræft

Publikation:

Forskere på Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet, har udviklet et nyt matematisk redskab, der kan øge vores forståelse af, hvad der sker, når celler mister deres retning (polaritet) ved sygdomme som for eksempel kræft. Resultaterne er et stort skridt fremad i forståelsen af de processer, der styrer dannelsen af en komplet organisme ud fra en enkelt celle. Biologiske former, som fx de enkelte organer eller kroppen som helhed, kan reproduceres og vedligeholdes med stor præcision som det sker under fosterudviklingen og voksenstadiet. Det matematiske redskab viser, hvordan disse biologiske processer kontrolleres af en af to polariteter (dvs. den vej cellerne vender i kroppen). Resultatet er nu publiceret i det videnskabelige tidsskrift eLife.

Professor Kim Sneppen, lektor Ala Trusina og ph.d. studerende Silas Boye Nissen

Det er stadig ukendt, hvordan celler “ved” hvilke strukturer de skal danne for at reparere en vævsskade

Flercellede organismer kan udvikle meget komplekse strukturer, som udgør deres væv og organer og er i stand til at genskabe perfekte reproduktioner af disse strukturer efter en skade. Dette medfører udfoldning af vævsflader, formet af grupper af celler, der deler og interagerer med hinanden. Selvom en del af de mellemliggende stadier i nogle af disse processer er kendt, vides det fortsat ikke, hvordan mange celler samarbejder om at finde ud af hvilke strukturer, de skal danne.

Modelbygning med matematik

”Vi ønskede at finde ud af, hvordan celler organiserer sig for at danne foldede flader og rør, og hvordan denne proces kan reproduceres så præcist”, siger førsteforfatter til artiklen, Silas Boye Nissen, ph.d.-studerende ved Center for Stamcelledynamik (StemPhys), Københavns Universitet. ”For at besvare dette spørgsmål, byggede vi et matematisk værktøj, der kan modellere disse to typer af polaritet eller celleretning, og derefter simulerede vi, hvordan mange celler organiserer sig for at danne foldede flader og organer”.

3D printet miniversion af et foldet organ med mange lave folder. Ifølge den matematiske model som forskerne har udviklet, sker dette, når cellerne deler sig hurtigere end de kan nå i balance med de omgivende celler.

Forskerne fandt frem til, at ved blot at ændre den ene af de to polariteter i modellen, blev de i stand til at simulere dannelsen af en stor variation af former. Forskellene i formerne blev dirigeret af to faktorer: Dels hvordan cellerne var arrangeret i udgangspunktet, dels hvorvidt de blev udsat for en ydre kraft – fx hvordan et æg har indflydelse på udviklingen af fosteret indeni.

Ved at benytte beregninger, hvor polariteterne ændredes, blev modellen i stand til at indsnævre fokus til nogle få teorier, der kunne testes eksperimentelt. I miniversioner af organer, som dyrkes i laboratoriet, forudså modellen, at når der sker hurtig vækst af celler, som ikke vokser i balance med organet, udvikler det mange, lave folder. Men hvis organet var udsat for tryk, fx fra det medium det voksede i, voksede der færre, dybere og længere folder. Modellen kan dermed hjælpe os med at forstå, hvordan foldede organer som fx hjernen eller bugspytkirtlen dannes.

Der gælder få, enkle regler for dannelsen af komplekse strukturer

Vores opdagelse øger forståelsen af, hvordan egenskaberne ved de enkelte celler fører til forskelle i de former, som dannes af tusindvis af celler”, siger Professor Kim Sneppen, leder af Center for Models of Life, Københavns Universitet. Medforfatter Ala Trusina konkluderer: ”Vores arbejde viser, at kropsdele ikke behøver detaljerede instruktioner for at formes, men kan dannes ud fra få, enkle regler. Vi kan nu begynde at undersøge hvad der sker, når celler får eller mister polaritet på det forkerte tidspunkt eller sted, hvilket ofte er tilfældet i kræft”.

Link til den videnskabelige artikel: https://elifesciences.org/articles/38407

Farvet gipsprint af en færdigudviklet struktur, som er dannet ved at cellerne i udgangspunktet var tilfældigt placeret i en celleklump. Denne struktur er bevaret ved celledeling eller skade. Figurerne er tydeligt forskellige, så udgangspunktet for cellernes vækst eller den påvirkning de er udsat for udefra, definerer det resultat, de når frem til, selvom væksten er underlagt de samme, forholdsvis enkle regler i den matematiske model.