Μια γλοιώδης εικόνα για τη θεραπεία του καρκίνου
Τα καλούπια γλίτσας με έξυπνα παντελόνια μπορούν να λύσουν λαβύρινθους και να παράγουν διαγράμματα παρόμοια με το σιδηροδρομικό σύστημα του Τόκιο - και τώρα, προτείνουν οι επιστήμονες, μπορεί επίσης να είναι σε θέση να βοηθήσουν στη θεραπεία του καρκίνου. Βιοφυσικοί στη Γερμανία και τη Σιγκαπούρη προτείνουν ότι τα μαθηματικά μοντέλα που βασίζονται στη συμπεριφορά της μούχλας μπορεί να οδηγήσουν σε νέους τρόπους για να λιμοκτονήσουμε τους όγκους του αίματος.
Η μούχλα λάσπης Physarum polycephalum , που συνήθως αναπτύσσεται μέσα σε σάπιους κορμούς, αναζητά τροφή επεκτείνοντας ένα δίκτυο λεπτών έλικων από την άκρη του. Μόλις η μούχλα βρει τροφή, όπως ένα κομμάτι βλάστησης σε αποσύνθεση ή έναν μικροοργανισμό, αναπτύσσεται πάνω της και εκκρίνει πεπτικά ένζυμα. Π. πολυκέφαλο στη συνέχεια κατασκευάζει ένα περίτεχνο δίκτυο διασυνδέσεων μεταξύ των πηγών τροφής, επιτρέποντάς του να μεταφέρει τα θρεπτικά συστατικά γύρω.
Το 2010, ο μαθηματικός βιολόγος Toshiyuki Nakagaki, τώρα στο Future University Hakodate στην Ιαπωνία, και οι συνάδελφοί του παρατήρησαν πώς αυτή η συμπεριφορά δικτύωσης θα μπορούσε να μεταφραστεί σε αποτελεσματικό σχεδιασμό πόλης. Τοποθέτησαν το καλούπι σε μια εργαστηριακή καλλιέργεια που περιείχε επίσης ένα μοντέλο κλίμακας της περιοχής γύρω από το Τόκιο, με πηγές τροφής που αντιπροσώπευαν τα πληθυσμιακά κέντρα. Οι έλικες του καλουπιού λάσπης, βρήκαν, παρήγαγαν διασυνδέσεις εντυπωσιακά παρόμοιες με τη διάταξη του σιδηροδρομικού συστήματος του Τόκιο.
Αλλά είναι η πρώιμη ανάπτυξη της μούχλας, ακόμη και πριν σχηματίσει αυτά τα περίτεχνα δίκτυα αναζήτησης τροφής, τα οποία μπορεί να περιέχουν ενδείξεις για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι όγκοι τροφοδοτούνται με αίμα. Τα καλούπια λάσπης ξεκινούν ως μια συλλογή μεμονωμένων σπορίων. καθώς μεγαλώνουν προς τα έξω, τα σπόρια συναντώνται και συντήκονται σε νησιά. Τα νησιά στέλνουν λάστιχα που τελικά συναντούν άλλα νησιά. όταν συναντώνται, συγχωνεύονται ξανά, σχηματίζοντας τελικά έναν μεγάλο, μονοκύτταρο οργανισμό που μπορεί πλέον να μεταφέρει υγρό μέσα του. Υπάρχει ένας μαθηματικός όρος για αυτό:Το σημείο στο οποίο χωριστά δίκτυα, το καθένα με το δικό του σύστημα μεταφοράς, αλληλοσυνδέονται αρκετά ώστε να επιτρέπεται σε ένα ρευστό ή κάποια άλλη ουσία να κινείται ελεύθερα μεταξύ τους ονομάζεται "μετάβαση διήθησης".
Για να κατασκευάσουν ένα μαθηματικό μοντέλο της μετάβασης της διήθησης, ο Adrian Fessel, ο Hans-Günther Döbereiner και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Βρέμης στη Γερμανία και στο Μηχανοβιολογικό Ινστιτούτο, η Σιγκαπούρη μελέτησαν τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται τα καλούπια λάσπης στο εργαστήριο. Η κατανόηση του πώς σχηματίζονται αυτές οι συνδέσεις και πότε συμβαίνει αυτή η μετάβαση μπορεί να έχει πρακτική εφαρμογή, λέει ο Döbereiner. Για να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν, οι όγκοι χρειάζονται παροχή αίματος. Πολλοί όγκοι υψηλής διήθησης μπορούν να κατασκευάσουν ένα εντελώς νέο αγγειακό σύστημα από βλαστοκύτταρα όγκου που αναπτύσσονται, συναντώνται και συντήκονται πριν συνδεθούν με την παροχή αίματος του υγιούς ιστού. Δεδομένου ότι η διαδικασία σύνδεσης είναι μαθηματικά ταυτόσημη με τη μετάβαση της διήθησης στο καλούπι λάσπης, ένα μαθηματικό μοντέλο της τελευταίας θα πρέπει να ισχύει εξίσου και για τα δύο, λέει.
Καθώς οι έλικες του καλουπιού μεγάλωναν το ένα προς το άλλο και ενώθηκαν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν διαγράμματα δικτύου (όπως χάρτες μετρό) για να παρακολουθήσουν τις συνδέσεις μεταξύ των έλικες. Κατέγραψαν πόσες συνδέσεις ακτινοβολούσαν από κάθε κόμβο για να λάβουν μια μέτρηση της «διασύνδεσης», παρόμοια με τον αριθμό των γραμμών του μετρό που εξυπηρετούν έναν συγκεκριμένο σταθμό. Γράφοντας σε Επιστολές φυσικής ανασκόπησης, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η μετάβαση από πολλαπλά νησιά μούχλας σε ένα διασυνδεδεμένο δίκτυο -η μετάβαση της διήθησης- συνέβαινε πάντα όταν οι κόμβοι και οι γραμμές έπεφταν σε ένα συγκεκριμένο, περίεργο μοτίβο. Ανεξάρτητα από το πόσοι συνολικά ήταν οι κόμβοι, αυτό που είχε σημασία ήταν πόσοι από αυτούς είχαν ακριβώς τρεις αναδυόμενες γραμμές, πόσοι είχαν μία αναδυόμενη γραμμή και πόσοι κόμβοι παρέμειναν εντελώς απομονωμένοι. Για μια συγκεκριμένη αναλογία αυτών των τριών αριθμών, συνέβαινε πάντα η μετάβαση της διήθησης.
«Τα αποτελέσματα είναι πολύ ενδιαφέροντα και πρωτότυπα», λέει ο Nakagaki, ο οποίος δεν συμμετείχε στην παρούσα εργασία, «και η ανάλυση μέσω μιας τυπικής τεχνικής διήθησης είναι σαφής και όμορφη.
Οι λιμοκτονούντες όγκοι αίματος είναι ένας βασικός τρόπος για να επιτεθούν οι καρκίνοι, έτσι ο Döbereiner ελπίζει ότι η γνώση των ερευνητών για το σχηματισμό αγγειακών δικτύων μπορεί μια μέρα να οδηγήσει σε τρόπους αναστολής της ανάπτυξης των αποθεμάτων αίματος των όγκων και περιορισμού της ανάπτυξής τους. Για να δείξουν την εφαρμογή του μοντέλου τους στην αγγειακή ανάπτυξη, οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορούσαν να αναπαράγουν τα αποτελέσματα μιας εργαστηριακής μελέτης του 2003 που διεξήχθη από άλλους ερευνητές σχετικά με την ανάπτυξη αγγειακών δικτύων χρησιμοποιώντας το μαθηματικό μοντέλο που προέρχεται από τη μούχλα.
Αν και η αναπαραγωγή αυτής της μελέτης του 2003 είναι μια χρήσιμη απόδειξη ότι το μοντέλο τους είναι εφαρμόσιμο πέρα από τα καλούπια λάσπης, ο Döbereiner επισημαίνει ότι από μαθηματική άποψη, μια τέτοια επίδειξη είναι κάπως περιττή. Οι δύο καταστάσεις -η ανάπτυξη μούχλας λάσπης και η ανάπτυξη αγγειακών δικτύων- είναι μαθηματικά ισοδύναμες, λέει, και έτσι ένα μοντέλο που λειτουργεί για το ένα απαιτείται για να λειτουργήσει και για το άλλο. "Ακόμα κι αν δεν είχαμε κάνει αυτό το πείραμα [με το αγγειακό δίκτυο]… δεν υπάρχει μαθηματικά διέξοδος!"
