Математическая модель предскажет поведение клеток при ранах и онкологии

❋ 4.5

Чтобы сохранить свою целостность при порезах, ссадинах и воспалительных процессах, клетки эпителиальной ткани умеют менять форму и перестраиваться относительно друг друга — это играет важную роль в заживлении ран. Но тот же механизм задействован в развитии рака, когда клетки начинают бесконтрольно делиться. Согласно статистике ВОЗ, в 2022 году во всем мире было зарегистрировано 20 миллионов новых случаев рака, а к 2050 году эта цифра вырастет на 77% и достигнет 35 миллионов. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая позволяет подробно рассмотреть, как именно клетки эпителия перестраиваются под воздействием механических нагрузок.

ПНИПУ

# математическая модель

# онкозаболевания

# раны

# эпителий

Модель ученых Пермского Политеха поможет изучать поведение клеток при заживлении ран и развитии рака / © Fayette A Reynolds M.S., Bioscience Image, Library by Fayette Reynolds

Статья опубликована в «Российском журнале биомеханики». Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Эпителиальные ткани постоянно подвергаются механическим воздействиям – растяжению или сжатию при ссадинах, порезах и воспалительных процессах. Для того, чтобы сохранить целостность и функциональность, тканевые элементы способны перестраиваться – этот процесс, который называется переупаковкой, помогает покровам восстанавливаться после повреждений, адаптироваться к изменениям. Работает это так: клетки меняют форму и расположение, чтобы равномерно распределить нагрузку, но остаются прочно связанны друг с другом благодаря специальным контактам – десмосомам. При повреждении кожного покрова (например, порезе) клетки на краю раны растягиваются, делятся и замещают погибшие, быстро восстанавливая защитный барьер. Так переупаковка играет ключевую роль в заживлении кожи.

Этот процесс также задействован в развитии рака. В здоровых тканях перестройка происходит аккуратно, но при онкологических заболеваниях этот механизм «ломается»: биологические элементы теряют связь с соседями и начинают бесконтрольно делиться, а вместо упорядоченной структуры образуется хаотичная масса – опухоль. Впоследствии она начинает пускать метастазы – это процесс, когда раковые клетки отделяются от своих «соседей», становятся подвижными и проникают в другие органы.

Международные исследования переупаковки сосредоточены на том, как клетки меняют свою форму и расположение во время роста органов и как взаимодействуют между собой, однако до сих пор многие аспекты остаются неясными из-за сложности биологических процессов. В живых организмах сложно следить за каждым этапом этого механизма в реальном времени, поскольку они могут быть скрыты глубоко внутри тканей. В условиях эксперимента же воспроизвести этот процесс трудно из-за необходимости контролировать очень много факторов. Клетки могут переупаковываться по-разному в зависимости от нагрузки, формы ткани и химических сигналов, поэтому предугадать результат процесса достаточно сложно.

Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая воспроизводит переупаковку и позволяет предсказывать, как клетки будут реагировать на различные внешние факторы.

Существующие модели не учитывают изменение формы и углов клеток, химические сигналы между ними, а также плохо адаптируются к разным типам тканей – иными словами, они слишком упрощены. Разработка политехников, напротив, принимает во внимание эти параметры, что делает ее точной и позволяет применять в исследованиях разных типов эпителиальных покровов.

— Мы использовали усовершенствованную вершинную модель, которая описывает клетки как многоугольники, соединенные между собой вершинами (точками) и способные изменять свою форму и размеры в зависимости от взаимодействия с соседями. Это совокупность уравнений, которые позволяют рассчитать эластичность биологических элементов, механические силы, которые на них действуют – например, растяжение ткани, – и химические сигналы, которыми они обмениваются, — рассказывает Максим Бузмаков, младший научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.

Моделирование позволило получить наглядные данные о том, как в процессе переупаковки меняется форма клеток, их расположение и уровень энергии. Кроме того, авторы пронаблюдали, как они перемещаются внутри эпителия.

— Особое внимание стоит уделить интеркаляции — так называется способность тканевых элементов менять свое положение относительно соседей. Мы исследовали большой ряд значений этого параметра. Было установлено его самое оптимальное значение (dint = 0,40), при котором достигается наиболее устойчивое состояние эпителия, то есть ткань ведет себя наиболее естественно и устойчиво, как в здоровом организме, – поясняет Иван Красняков, доцент, научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Модель ученых Пермского Политеха показывает, как клетки кожи или слизистых оболочек перемещаются и перестраиваются при повреждении. Она уже прошла апробацию на данных клинических исследований, доступных в литературе. Благодаря ей можно предсказывать, как будет вести себя ткань при различных воздействиях — например, во время хирургического вмешательства или ношения протезов. Это может помочь в разработке новых методов ускорения заживления и восстановления тканей. Разработанная модель универсальна, что позволяет применять ее для широкого круга биологических исследований – в частности, для изучения того, как раковые клетки теряют связь с соседями и начинают мигрировать по организму. Это важно для исследования механизмов развития онкологических заболеваний, в чем ученые и видят дальнейшие перспективы своего исследования.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.