Computational and experimental analyses of cancer mechano-pathology

Abstract

Οι όγκοι παράγουν μηχανικές δυνάμεις κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και της εξέλιξης τους. Αυτές οι δυνάμεις είναι ικανές να συμπιέζουν αγγεία, μειώνοντας τα ποσοστά αιμάτωσης και οξυγόνου. Τόσο η μειωμένη αιμάτωση όσο και η αυξημένη πίεση του υγρού εμποδίζουν την μεταφορά φαρμακευτικών σκευασμάτων μέσω του αίματος, μειώνοντας την αποτελεσματικότητα της χημειοθεραπείας και νανοθεραπείας. Παρά τη μεγάλη σημασία του μικροπεριβάλλοντος για την παθολογία του καρκίνου, υπάρχουν λιγοστές μελέτες για τη μοντελοποίηση και πειραματική μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων των όγκων και για το πώς αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν την ανάπτυξη του όγκου. Σε αυτή την διδακτορική διατριβή αρχικά χαρακτηρίσαμε τις μηχανικές ιδιότητες καρκινικών όγκων και υπολογίσαμε το εύρος των αναπτυσσόμενων δυνάμεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται στοιχεία για το πώς η χρήση φαρμάκων τα οποία σκοπό έχουν να μειώσουν τις δυνάμεις αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την χημειοθεραπεία για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της θεραπείας. Τέλος, επικεντρωθήκαμε στην μελέτη της μοντελοποίησης των μηχανισμών αγγειογένεσης σε καρκίνους του εγκεφάλου (γλιοβλαστώματα), μέσω των οποίων τα καρκινικά κύτταρα μπορούν να οξυγονόνονται και κατ’επέκταση να διατηρούν την περαιτέρω ανάπτυξη του όγκου. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιήσαμε πειράματα μηχανικής συμπίεσης σε δύο τύπους καρκινικών όγκων και διαπιστώσαμε ότι η πειραματικά απόκριση προσαρμόζεται καλύτερα σε μια καταστατική εξίσωση εκθετικής μορφής. Ακολούθως, ενσωματώσαμε την καταστατική αυτή εξίσωση, καθώς και άλλες κοινές για συνδετικούς ιστούς εξισώσεις σε ένα υφιστάμενο μοντέλο ανάπτυξης καρκινικών όγκων. Παρατηρήθηκε ότι οι αναπτυσσόμενες δυνάμεις καθώς και ο ρυθμός ανάπτυξης του όγκου ήταν ανεξάρτητος από την επιλογή της καταστατικής εξίσωσης, αλλά εξαρτόταν έντονα από τις μηχανικές αλληλεπιδράσεις με τον περιβάλλοντα φυσιολογικό ιστό. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετήσαμε την δυνατοτητα χρήσης του αντι-ινωτικού φαρμάκου Tranilast (Rizaben®) για την μείωση των μηχανικών δυνάμεων σε δύο μοντέλα όγκων του μαστού. Αποδείξαμε πειραματικά ότι το Tranilast μειώνει τις μηχανικές δυνάμεις, βελτιώνει την αιμάτωση του όγκου και ενισχύει σημαντικά την αποτελεσματικότητα των εγκεκριμμένων φαρμάκων για καρκίνους του μαστού: doxorubicin, Abraxane® και Doxil®. Στο τρίτο κεφάλαιο, σχεδιάσαμε νέα πειράματα, χρησιμοποιώντας τέσσερα μοντέλα καρκινικών όγκων, για να μετρήσουμε την μηχανική τάση που αναπτύσσεται λόγω της διόγκωσης του υαλουρονικού οξέως στο εσωτερικό των όγκων και για να συσχετίσουμε την τάση αυτή με τα δομικά συστατικά των καρκινικών όγκων, καθώς και της αιμάτωση τους. Τα δεδομένα μας αποκάλυψαν μια αντίστροφη σχέση μεταξύ της αιμάτωσης και της τάσης διόγκωσης του όγκου, υποδηλώνοντας ότι η μείωση της τάσης διόγκωσης, που μπορεί να προέλθει με μείωση των επιπέδων υαλουρονικού οξέως. Στο τέταρτο κεφάλαιο, χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα από δύο μοντέλα καρκίνου του μαστού και χορηγώντας στους όγκους δύο κλινικά εγκεκριμένα αντι-ινωτικά φάρμακα (tranilast and pirfenidone), διαπιστώσαμε ότι η συσσώρευση των δυνάμεων σε όγκους συσχετίζεται με την περιεκτικότητα τους σε υαλουρονικό οξύ και με το μέτρο ελαστικότητας τους. Τέλος, χρησιμοποιώντας μια σειρά από πειραματικά δεδομένα σε γλοιώματα και μεταστάσεις στον εγκέφαλο από κύτταρα καρκίνου του μαστού, προερχόμενα από το εργαστήριο του καθηγητή Rakesh K. Jain του Γενικού Νοσοκομείου της Μασσαχουσέτης των ΗΠΑ αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για τους μηχανισμούς αγγιογένεσης στους όγκους αυτούς και προτάθηκαν μεθοδολογίες για την επιτυχή στόχευση των μηχανισμών αυτών που μπορούν να οδηγήσουν σε αποτελεσματικότερες θεραπείες.

Cancer mechanopathology deals with the causes, consequences and remedies for the effects of tumor mechanics on the pathology of cancer and focuses on the development of therapeutic strategies to reengineer solid tumors in order to improve therapy. Specifically, solid tumors generate mechanical forces during growth and progression. These forces are able to compress blood and lymphatic vessels, increasing the tumor interstitial fluid pressure, reducing perfusion rates, and creating hypoxia. Both hypo-perfusion and elevated fluid pressure hinder delivery of blood-borne therapeutic agents, lowering the efficacy of chemo- and nanotherapies. Despite the great importance of the mechanical microenvironment to the pathology of cancer, there are limited studies for the constitutive modeling and the mechanical properties of tumors and on how these parameters affect tumor growth. In this thesis, we characterized the tissue-level mechanical stresses found in tumor, namely i) the externally applied stress ii) the swelling stress and iii) the growth-induced or residual stress. Subsequently, we tested the hypothesis that alleviation of these mechanical stresses repurposing clinically approved anti-fibrotic drugs can be used in combination with chemotherapy to improve treatment efficacy. Finally, we developed mathematical models for the study of the mechanisms of angiogenesis in brain tumors, incorporating the effect of co-option of the host vasculature by cancer cells, which is a strategy with which some cancer cells can sustain tumor progression. In the first chapter, we performed unconfined compression experiments in two tumor types and found that the experimentally measured stress-strain response is better fitted to an exponential constitutive equation and we incorporated these constitutive equations into a biomechanical model of tumor growth. We found that the evolution of stress during progression and the growth rate of the tumor are independent from the selection of the constitutive equation, but depend strongly on the mechanical interactions with the surrounding host tissue. In the second chapter, using two orthotopic mammary tumor models, we demonstrate that the clinically approved anti-fibrotic drug Tranilast can be repurposed to reduce intratumoral mechanical stresses, improve tumor perfusion and significantly enhance the efficacy of the common anti-cancer drugs: doxorubicin, Abraxane and Doxil. In the third chapter, we designed an experimental strategy, using four orthotopic tumor models, to measure the stress owing to the swelling of hyaluronan and related swelling to the organization of collagen and hyaluronan in the tumors, as well as to tumor perfusion. In the fourth chapter, using experimental data from two orthotopic breast tumor models and treating tumors with two clinically approved anti-fibrotic drugs (tranilast and pirfenidone), we found that accumulation of residual forces in tumors are associated with hyaluronan content and the elastic modulus of the tumor. Finally, in collaboration with the team of Professor Rakesh K. Jain at Massachusetts General Hospital, we developed a mathematical model for the angiogenic mechanisms of brain tumors, which was validated using a series of experimental data in orthotopic gliomas and brain metastasis from breast cancer cells collected from the group of Professor Jain. The model also proposed strategies for targeting the angiogenic mechanisms in order to improve therapy.