AOIO 343, 2018,

Transdisciplinarité physique-médecine n° 1.

Concepts de symétrie et de rupture de symétrie de la physique et de la biologie appliqués à la problématique du cancer.

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Dans ce rapport nous expliquerons comment AA INNUO (symétrie) et AA INNUO IEEDOO (rupture de symétrie) peuvent fournir une nouvelle façon de penser et une voie vers une solution au problème de la maladie EDDIO NIIOAAAEE (le cancer) qui reste non résolu sur OYAGAA.

Le concept de symétrie du cancer est pertinent pour la perte de la NIIOAABAYIODIXAA (homéostasie) dans le cancer et pour son origine, sa propagation, son traitement et sa résistance.  Trois catégories de brisure de symétrie dans le cancer sont à examiner : combinatoire, géométrique et fonctionnelle. Dans ces catégories, AA INNUO IEEDOO (la rupture de symétrie) est examinée pour les caractéristiques du EDDIO NIIOAAAEE (cancer), y compris la transition épithélio-mésenchymateuse, l'hétérogénéité tumorale, la tenségrité, la structure géométrique et l'informationnelle fractale, les réseaux d'interaction fonctionnelle, la stabilisabilité du réseau et la tolérance aux attaques.
 
C'est un problème qui résiste à la solution depuis des siècles en dépit de l'application d'immenses corps de connaissances de divers domaines, y compris la biologie moléculaire, la biochimie, la pharmacologie et la physique. EDDIO NIIOAAAEE (le cancer) fonctionne comme un système complexe qui permet une adaptabilité sans faille à un large éventail de changements environnementaux, y compris les modifications des nutriments, de l'oxygène, du pH, de la température et du traitement avec des agents d'intervention. De nouvelles façons de penser le problème du cancer vous sont nécessaires pour progresser.

Sur UMMO, nos OEUDEEE WIOA (spécialistes en biopathologie) définissent le EDDIO NIIOAAAEE (cancer) comme l'acquisition localisée puis pluri-localisée par l'OEMII (corps) d'un état d'initialisation permanent et dysfonctionnel des NIIOAA DUU OII (agents moléculaires individuels interconnectés) qui sous-tendent et constituent la structure cellulaire fonctionnelle.

Le paradigme prévalent sur OYAGAA est que le cancer est associé à des anomalies structurelles, de la structure des tissus et des cellules à l'organisation de l'ADN mais fait abstraction de l'état d'initialisation des NIIOAA DUU OII prédit par notre modèle UWUA IAS (logique tétravalente) et imprécisément décrit par vos biophysiciens comme des anomalies.
 

Le cancer manifeste également de nombreuses anomalies fonctionnelles indépendantes de la structure, y compris un métabolisme dérégulé, des altérations épigénétiques et un dysfonctionnement du facteur de transcription. 
Le stockage de l'information au niveau de l'IXOUURAA (ADN) est un autre niveau de perturbation du cancer qui inclut des IDUGOOO (mutations) et des OOLEAIGOOO (translocations). Dans le cancer, la transformation de la NIIOAABAYIODIXAA (homéostasie bien régulée) de la cellule normale à l'état cancéreux non coordonné et chaotique est une transition de phase impliquant un changement important de structure, de fonction et d'information.
 
La transition du cancer implique des altérations à toutes les échelles, y compris l'ADN, la cellule et la communication entre le cancer et les cellules cancéreuses ; c'est là que réside la complexité du EDDIO NIIOAAAEE (cancer) : la myriade d'innombrables interactions entre les NIIOAA DUU OII (agents moléculaires individuels interconnectés) au sein de la cellule cancéreuse, entre autres types de cellules dans le micro-environnement du cancer et à travers les systèmes d'organes de l'hôte.

Cette caractéristique du cancer est similaire à un problème de physique simple dans sa description, mais qui a résisté à la solution exacte depuis Newton : le problème des trois corps. Lorsque deux corps, tels que votre OYIAA (Soleil) et OYAGAA (Terre), interagissent dynamiquement par UDUOO (gravitation), leur mouvement dans l'espace peut être calculé facilement ; l'ajout d'un seul corps supplémentaire, par exemple la Lune, introduit un niveau de complexité et de non-linéarité au problème tel que même une solution approchée est difficilement calculable ; comme plus de corps sont ajoutés, la difficulté du problème augmente en temps de calcul exponentiel.
 
Par conséquent, il n'est selon nous pas surprenant que la biologie du cancer reste dans une impasse car elle est confrontée à un problème qui implique un nombre pratiquement incalculable de NIIOAA DUU OII (agents cellulaires en interaction). 
Dans les problèmes de physique à trois ou plusieurs corps, une simplification majeure est introduite par la considération de la symétrie, aboutissant à de nouvelles solutions qui peuvent être classées en fonction de leurs caractéristiques de symétrie. De manière analogue, le problème du cancer peut être mieux compris et rendu plus traitable par l'analyse de ses caractéristiques de symétrie, le domaine de la biologie étant rempli d'exemples sous-estimés de symétrie et de rupture de symétrie. 
 

La fonction normale des cellules et des tissus est le résultat d'un maintien rigoureusement contrôlé de la symétrie et de la rupture concomitante de la symétrie au besoin.

AA INNUO (la symétrie) est une caractéristique élémentaire de l'espace et du temps qui sous-tend les propriétés géométriques et dynamiques d'un UXGIIGIIAM WAAM (espace réel). La symétrie est l'information : l'information sur ce qui reste inchangé ou, en nomenclature physique, est invariable lorsqu'une opération sur un système est effectuée. Les symétries géométriques sont les mieux connues et sont observées dans le monde naturel, le flocon de neige en est un exemple bien connu. Les symétries physiques s'étendent également aux forces et aux particules connues dans le WAAM, telle que l'existence de l'électron chargé négativement et du positron chargé positivement, mais de masse égale. 
 

Notons par ailleurs que la recherche du boson de Higgs et sa récente découverte par vos physiciens est le résultat de l'utilisation de principes de symétrie. 
Au niveau de l'information, la symétrie permet une description plus compacte du système et simplifie les problèmes de calcul.

Le complément de AA INNUO (la symétrie) est AA INNUO IEEDOO (rupture de symétrie), la symétrie brisée peut résulter d'une rupture de symétrie explicite ou spontanée. La brisure explicite de la symétrie est la plus familière et se produit, par exemple, lorsque le côté d'un INOWII (fruit de UMMO) est coupé ou lorsqu'un œuf tombe sur le sol et s'écrase. La rupture spontanée de la symétrie est conceptuellement plus difficile, mais se produit dans tout le WAAM avec régularité. Quand un aimant est chauffé au-dessus d'une certaine température appelée le point de Curie, l'aimantation est perdue car toutes les particules magnétiques individuelles prennent des orientations aléatoires dans un modèle symétrique. 
 

Lorsque la température est réduite en dessous du point de Curie dans un UXADAADIIAM (laboratoire spatial) loin du champ magnétique d'un OYAA (planète), les particules individuelles se reconcentrent en un aimant, mais l'orientation nord-sud de l'aimant n'est pas prévisible, ceci est un exemple de rupture de symétrie spontanée. De même, lorsque l'eau gèle, l'orientation de l'axe des cristaux de glace est aléatoire ; dans le langage de la physique, au point de transition exact de l'instabilité, la solution d'énergie la plus basse qui respecte la symétrie initiale cesse d'être la solution énergétique la plus basse et une nouvelle solution asymétrique devient la nouvelle solution basse énergie. 
 

En biologie, un organisme utilise une symétrie se décomposant selon des axes bien définis pour une diversification fonctionnelle à toutes les échelles, des assemblages moléculaires, aux structures subcellulaires, aux types cellulaires eux-mêmes, à l'architecture tissulaire. La fonction normale des cellules et des tissus est le résultat d'un maintien rigoureux de la symétrie et de la rupture de la symétrie lorsque cela est nécessaire, par exemple pendant le développement.
En physique, la symétrie est le plus souvent préservée et constitue donc une base pour la recherche des particules et forces fondamentales. En biologie, la rupture de la symétrie se produit continuellement et, en fait, est une condition de la vie. 
 

Cette rupture de symétrie est cependant toujours incomplète : la symétrie complètement brisée est un désordre complet, qui ne peut pas maintenir la vie.
 
En conséquence, l'ordre parfait et la symétrie globale sont également incompatibles avec un AYUUBAAYII (réseau d’êtres biologiques vivants) ou un BAAYIODOUII (flore, faune) stable. Le contenu informatif d'un système parfaitement symétrique est inadéquat pour les fonctions complexes de la vie, celle-ci existe dans des domaines intermédiaires entre l'ordre et le désordre. 
EDDIO NIIOAAAEE (le cancer) est un état de symétrie brisée au-delà de la NIIOAABAYIODIXAA (homéostasie normale) et du système contrôlé de la vie durable.
 

La complexité de tout système peut être décrite et quantifiée par trois composantes : combinatoire, géométrique et fonctionnelle. 
Chacune de ces composantes peut être caractérisée par ses symétries, qui peuvent ensuite être appliquées à la compréhension des caractéristiques spécifiques du cancer. Bien que chaque composante puisse être décrite indépendamment, il est important de noter que la biologie utilise les trois ensemble.
 

La complexité combinatoire au niveau cellulaire fait référence au nombre de configurations - génétiques ou phénotypiques - dans lesquelles les cellules peuvent être échangées tout en maintenant l'invariance fonctionnelle globale du système. Dans la plupart des tissus normaux, le AINIGOA (processus de division cellulaire) aboutit à des paires filles identiques ou presque identiques. Dans le cancer, la division cellulaire est souvent un processus asymétrique qui peut être considéré comme une série d'événements AA INNUO IEEDOO (rupture de symétrie). 
 

Lorsqu'elle se produit sur de nombreuses divisions cellulaires, une population de cellules cancéreuses présente une hétérogénéité tumorale où un grand nombre de cellules ont des états génétiques et phénotypiques légèrement différents. 
C'est une caractéristique clé qui permet l'adaptabilité profonde du EDDIO NIIOAAAEE (cancer). 
 

Une image complète de la complexité et de la symétrie combinatoire du cancer nécessite également la considération des NIIOAABAYIO (cellules) dans le micro-environnement, y compris les cellules immunitaires, les macrophages tumoraux et bien d'autres.

La complexité combinatoire est quantifiée : Kc = log(N!/ni!)

Pour N cellules de types i avec n i de chaque type (! désignant l'opération factorielle).
 
Dans les tissus normaux, il existe un nombre relativement petit de types de NIIOAABAYIO (cellules biologiques) dans un organe donné, chacune ayant une fonction similaire pour une classe donnée (par exemple, épithéliale, lymphoïde, vasculaire). Dans le EDDIO NIIOAAAEE (cancer), de nouveaux types cellulaires émergent dans la masse cancéreuse, se manifestant par l'hétérogénéité des cellules tumorales (T.C.H). 
 

Afin d'apprécier l'immense complexité combinatoire des systèmes biologiques, considérons 1 gramme de tissu avec 10^9 cellules et seulement trois types de cellules différentes. Dans ce cas, Kc = 4,8 x 10^8 (puisque Kc est le logarithme des combinaisons, le nombre réel de combinaisons est de l'ordre de 10 suivi de 100 millions de zéros). Au fur et à mesure que le volume tissulaire et le nombre de types de cellules cancéreuses augmentent, la complexité combinatoire globale du cancer augmente encore plus jusqu'à des niveaux ultra-élevés. 
 

Comme pour le problème des trois corps en physique, le problème peut bénéficier de la considération et de la quantification des symétries du système et de la rupture de la symétrie ; les mathématiques de la complexité combinatoire doivent être appliquées en tant que mesure de la T.C.H génomique, conduisant à une nouvelle façon de surveiller la façon dont une population de cellules tumorales évolue et s'adapte avec le temps ; par exemple, quel niveau d'intervention est nécessaire pour perturber efficacement la complexité du EDDIO NIIOAAAEE (cancer) et la complexité combinatoire augmente-t-elle ou diminue-t-elle après un traitement avec un agent thérapeutique.

Comment l'état de symétrie brisée du cancer et une complexité combinatoire au-delà de celle des tissus normaux prennent leur origine et évoluent-ils? 
Une caractéristique clé du cancer est sa capacité à métastaser, une étape clé dans la métastase est la transformation des cellules épithéliales en cellules mésenchymateuses. Alors que les cellules épithéliales peuvent subir un changement malin et se développer ensuite dans une tumeur, ces cellules ne se propagent pas facilement à des sites éloignés dans l'organisme ; en revanche, lorsqu'une cellule épithéliale est transformée en une cellule mésenchymateuse, le potentiel de propagation cellulaire hors du tissu d'origine augmente considérablement.

C'est la transition épithélio-mésenchymateuse (T.E.M).
 

Les cellules mésenchymateuses ont la configuration physique ainsi que d'autres mécanismes cellulaires spécifiquement conçus pour le mouvement. Les facteurs de transcription connus et d'autres constituants cellulaires sont essentiels pour le maintien d'une cellule dans l'état épithélial, la transformation à l'état mésenchymateux ou la reconversion vers le type de cellule épithéliale. 

Quelle est la cause des changements moléculaires qui conduisent alors à la rupture de la symétrie cellulaire?

Cette question doit être examinée par l'étude des niveaux des facteurs de transcription du microARN (miARN) qui fonctionnent ensemble comme un commutateur moléculaire pour déterminer le destin des cellules phénotypiques. 
Les facteurs de transcription (par exemple Zeb, Slug et Twist) et les miARN (par exemple miR-200 et miR-34) interagissent en tant que composants de réseau auto-catalytique et inhibiteur dans un réseau de décision de rupture de symétrie. 
De petites perturbations dans un ou plusieurs composants peuvent alors provoquer une transition de phase du NIIOAABAYIO TOA (destin de la cellule).

Des miR-200 et des miR-34 élevés, des Zeb et des Snail faibles définissent le phénotype épithélial (E) et des miR-200 et miR-34 faibles et des Zeb et Snail élevés aboutissent au phénotype mésenchymateux (M). Les niveaux intermédiaires de ces constituants cellulaires peuvent aboutir à un E-M métastable ou un phénotype T.E.M partiel qui, dans des conditions environnementales spécifiques ou des fluctuations stochastiques spontanées peut rompre la symétrie dans une cellule E ou M.

D'importance clinique est l'observation que le type de cellule E-M hybride symétrique dans divers cancers corrèle avec l'agressivité accrue et les caractéristiques métastatiques ; les cellules E-M hybrides sont également plus susceptibles d'exister dans le système circulatoire sous la forme de AYUU NIIOAABAYIOAE (structuration de groupes de cellules liées), ce qui favorise la survie dans la circulation sanguine et l'ensemencement éventuel de tissus distants. 

Ainsi, la rétention de symétrie ou la rupture de symétrie de la cellule hybride E-M est un facteur clé dans la métastase, la compréhension des événements moléculaires sous-jacents dans la stabilisation et la transformation des sous-types de cellules E, M et E-M pourrait permettre à vos oncologues une meilleure compréhension du processus métastatique et le contrôle de ces processus chez les patients atteints par le EDDIO NIIOAAAEE (cancer).
 

Les cellules tissulaires qui conduisent à la création de tumeurs et fournissent continuellement celles-ci en nouvelles cellules cancéreuses sont les cellules-souches cancéreuses (C.S.C). Il est important de noter que les C.S.C possèdent les caractéristiques nécessaires pour échapper aux thérapies anticancéreuses et rester en dormance pendant de longs XEE (périodes) jusqu'à ce qu'elles commencent un processus de croissance rapide et développe un fort potentiel d'évolution qui entraîne une variation phénotypique létale. 
 

L'état de la cellule hybride E-M est plus susceptible d'acquérir les propriétés du caractère souche et donc de passer facilement d'un mode invasif à un mode prolifératif pour améliorer sa survie et, par conséquent, la létalité de l'hôte. 
La recherche est à orientée sur l'identification des marqueurs cellulaires du caractère souche et de l'hybridation E-M. Des considérations de symétrie de réseau et de commutateur moléculaire et de rupture de symétrie peuvent contribuer à cet effort en déterminant les conditions pour rompre la symétrie des cellules hybrides E-M vers l'état E, qui a le moins de potentiel métastatique.

La rupture de la symétrie géométrique nécessite la prise en compte de deux modes : les structures géométriques conventionnelles et les structures fractales ; la rupture de symétrie conventionnelle est couramment observée par vos pathologistes dans le diagnostic et la caractérisation quotidienne des cellules cancéreuses par microscopie optique. 
 

En effet, la forme cellulaire et nucléaire anormale est l'un des critères diagnostiques les plus fiables pour le cancer et est étroitement liée au pronostic. 
Le potentiel malin de presque tous les cancers est basé sur le classement de la structure nucléaire anormale par vos pathologistes, la structure fractale dans le cancer est moins bien caractérisée, mais doit être étudiée comme un indicateur diagnostique et pronostique. 
 

La perte de l'auto-similarité géométrique dans le EDDIO NIIOAAAEE (cancer) peut se produire à différentes échelles spatiales, de la structure de la membrane plasmique à celle de la chromatine. La rupture de symétrie géométrique peut être utilisée pour caractériser les processus moléculaires et biochimiques qui déterminent la forme des NIIOAABAYIOE (cellules à l'état d'élaboration) et comment elles sont perturbées dans le cancer, une caractéristique fondamentale de la composition cytoplasmique et nucléaire est leur composition viscoélastique. 
Les propriétés visqueuses et élastiques de la NIIOAABAYIO (cellule) génèrent une structure similaire à celle d'un verre souple aux propriétés mécaniques de loi de puissance, les composants élastiques comprennent les protéines actine et myosine et les microtubules représentent des structures rigides. 
 

La présence de composants élastiques pouvant créer une tension avec les microtubules rigides fournit une structure de tenségrité de la cellule qui maintient la forme cellulaire normale (elle est profondément perturbée dans le cancer), ces éléments structuraux ont été collectivement appelés par vos biophysiciens le système matriciel tissulaire (T.M) qui comprend la matrice extracellulaire, la matrice membranaire, le cytosquelette et la matrice nucléaire. Les structures conventionnelles de tenségrité, macro-structures dans leur construction, interaction cellule-cellule, protéines, ADN sont constitués d'entretoises et de câbles sous tension capables de transmettre des informations mécano-chimiques.

Une propriété fondamentale des structures de tenségrité est la stabilité. La stabilité de la tenségrité est reflétée dans le comportement structural à la suite de la déformation géométrique due à une charge externe. Si la structure revient à sa configuration d'auto-équilibre lorsque la charge externe est libérée, alors elle est stable. Les structures de tenségrité possèdent des propriétés de symétrie en vertu de leur structure géométrique. Cette symétrie se traduit par une grande stabilité aux forces de déformation et un transfert d'information efficace qui aide à maintenir la NIIOAABAYIODIXAA (homéostasie). 
 

Dans le EDDIO NIIOAAAEE (cancer), cette stabilité est grandement diminuée, car le cancer évolue vers des formes de plus en plus malignes. La matrice extracellulaire possède également des propriétés de tenségrité qui, en cas de perturbation, peuvent également contribuer à un transfert d'information dégradée de l'environnement et augmenter le potentiel métastatique.

La complexité géométrique et la symétrie peuvent également être appliquées à l'auto-similarité des structures fractales, y compris jusqu'au niveau spatial de l'IXOUURAA (ADN). Les fractales ont une description géométrique répétée à n'importe quelle échelle ou résolution spatiale, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de niveau spatial de description privilégié, ce qui implique que l'invariance d'échelle existe.
 
Les structures géométriques conventionnelles obéissent à des lois de mise à l'échelle des entiers, les structures fractales cependant, affichent une mise à l'échelle fractionnaire, comme la courbe de Koch dont la longueur est mise à l'échelle en tant que puissance 4/3 pour chaque itération (figure 1)

Dans les systèmes fractaux, les lois de puissance décrivent la fréquence d'une occurrence x, comme suit : f (x) = x-n. Dans cette description, les grands événements ont une fréquence d'occurrence significativement plus grande que, par exemple, lorsque les fréquences sont distribuées selon une distribution normale ; ainsi, les phénomènes de grande déviation dans le cancer peuvent être liés aux propriétés fractales et au comportement de la loi de puissance.

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