La Fisica del Cancro

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Cellula cancerogena. Credits: Vitanovski/Thinkstock.

Il cancro è la seconda causa di morte nel mondo occidentale, ma destinato a diventare la prima nella prossima decade surclassando le malattie cardiovascolari. Pochi pazienti muoiono a causa del tumore primario, ma una volta che il tumore ha disseminato i propri “semi” metastatici diventa molto difficile da trattare e più del 90% delle morti di cancro sono imputabili alle metastasi.

Gli ultimi 20/30 anni di ricerca oncologica si sono concentrati nel comprendere le basi genetiche dello sviluppo del cancro e cosa trasforma una cellula normale in un una tumorale. Abbiamo capito, per esempio, che diverse mutazioni del DNA devono accumularsi per conferire alla cellula cancerosa un preciso identikit riassumibile in dieci caratteri distintivi [per approfondire: (http://video.ifom.eu/ebook/Identikitdelcancro-rel02-2015.pdf) e (Hanahan and Weinberg, 2000; Hanahan and Weinberg, 2011)]. L’acquisizione progressiva e combinatoria dei dieci tratti distintivi consente alle cellule tumorali di superare le barriere che naturalmente contrastano la nascita, lo sviluppo e la disseminazione di una cellula cancerosa all’interno del nostro organismo. Sempre più frequentemente, queste stesse alterazioni vengono sfruttate come veri e propri talloni di Achille del tumore per sviluppare farmaci in grado di colpire il cancro in modo “specifico” e “preciso”. Stiamo parlando dei farmaci molecolari e della medicina personalizzata (per approfondire http://www.airc.it/cancro/terapia-tumori/mirate/).

Nonostante le alterazioni genetiche siano chiaramente alla base della nascita e sviluppo del cancro, non sono le uniche protagoniste. Il cancro, in realtà, è un tessuto complesso e dinamico, fatto di cellule eterogenee in continua e costante evoluzione per adattarsi all’ambiente che le circonda, il micro-ambiente. Cellule tumorali e micro-ambiente si influenzano reciprocamente: la crescita aberrante della massa tumorale, ma anche la presenza di specifiche cellule dell’ospite richiamate in risposta alle alterazioni indotte dallo sviluppo del cancro, contribuiscono a modellare composizione e natura fisica del microambiente. È proprio grazie a questa natura dinamica ed eterogenea che vengono selezionati i tratti che permettono alla cellula cancerosa di sopravvivere, moltiplicarsi e migrare per colonizzare organi distanti. In questo contesto, oltre alle intrinseche proprietà molecolari e biochimiche, è necessario comprendere l’insieme delle interazioni che si stabiliscono tra cellule tumorali e tra cellule tumorali e il micro-ambiente. Questa complessità può essere interpretata solo ricorrendo a modelli quantitativi e matematici in grado di descrivere e prevedere il comportamento di sistemi multifattoriali, quali i tessuti tumorali, in un ampio ventaglio di scale spaziali e temporali. Approcci che inevitabilmente richiedono l’integrazione di discipline diverse come la biologia, la matematica e la fisica di sistemi complessi.

Dalla notte dei tempi sappiamo, inoltre, che i tumori si individuano semplicemente al tatto, percependone la rigidità(Mahoney and Csima, 1982). Non sorprende, pertanto, che, con l’avanzare delle tecniche di analisi nei tessuti e nei sistemi sperimentali modello, si sia riusciti a stabilire che specifiche proprietà fisiche, come rigidità, pressione o densità, siano non solo marcatori utilizzabili nelle indagini di imaging medico per la diagnosi precoce, ma anche fattori in grado di promuovere la progressione tumorale e contribuire allo sviluppo di tratti aggressivi e metastatici. Questo avviene anche attraverso un costante feedback esercitato proprio dalle alterazioni fisiche sui programmi genetici tumorali, che determinano veri e propri cambi di identità cellulare necessari per acquisire, per esempio, la capacità di muoversi e metastatizzare (il più noto dei quali è la transizione epitelio-mesenchimale) e sono anche alla base della straordinaria flessibilità e adattabilità del tumore. Il cancro, infatti, è un’entità dinamica caratterizzata da una sorprendente plasticità: un concetto che trova sempre più evidenze sperimentali e ci permette di comprendere e interpretare lo sviluppo del cancro, anche così come la sua capacità di sviluppare resistenze ai trattamenti farmacologici, con importanti implicazioni terapeutiche che questo determina. 

Proprio perché il cancro è un tessuto complesso in continua evoluzione, possiamo comprendere alcune delle leggi che lo governano solo se integriamo i canonici approcci di biologia molecolare, genetica e biochimica con la biomeccanica, la fisica della materia soffice e la statistica meccanica proprie di sistemi complessi. Sono queste le nuove competenze che sono sempre più richieste per comprendere appieno la natura del processo oncologico. 

Il libro The Physics of Cancer di Caterina La Porta e Stefano Zapperi, professori dell’Università di Milano, pubblicato da Cambridge University Press, si inserisce precisamente in questo quadro con un tempismo perfetto. Coglie e, per molti versi anticipa, la necessità di fornire strumenti interpretativi che, attraverso il superamento delle tradizionali barriere disciplinari, concettualizzano l’insieme delle caratteristiche fisiche come l’emergente undicesimo carattere distintivo della biologia e storia evolutiva del cancro. The Physics of Cancer ambisce a essere un testo di riferimento non solo per fisici, matematici e ingegneri alle prese con la complessità del sistema biologico “cancro”, ma anche e soprattutto per biologi e oncologi. A essi, infatti, viene sempre più richiesto di utilizzare gli approcci quantitativi da una parte, e i principi propri della fisica, della biomeccanica e della matematica dall’altra, per descrivere i comportamenti e le complesse dinamiche tipiche della crescita e del movimento del tumore. È un’opera coraggiosa che abbraccia uno spettro di discipline e di aspetti della biologia del tumore incredibilmente ampio, riuscendo a fornire le basi matematiche e fisiche a chi matematico e fisico non è, in modo conciso ma completo. Utilizza, inoltre, una prosa discorsiva capace di semplificare la complessità della biologia del cancro senza indulgere in banalizzazioni. Nonostante siamo in un’epoca in cui la rapidità delle scoperte è diventata vertiginosa, questo libro si propone come un punto di riferimento per addetti ai lavori (e non) che intendano sviluppare o avvicinarsi a quelle competenze multidisciplinari che sempre maggiormente saranno necessarie nella biomedicina e in particolare nella lotta contro i tumori.

 Bibliografia

  • Hanahan, D., and R.A. Weinberg. 2000. "The hallmarks of cancer". Cell. 100:57-70.
  • Hanahan, D., and R.A. Weinberg. 2011. "Hallmarks of cancer: the next generation". Cell. 144:646-674.
  • Mahoney, L., and A. Csima. 1982. "Efficiency of palpation in clinical detection of breast cancer". Can Med Assoc J. 127:729-730.

 

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