Модель ученых Пермского Политеха поможет изучать поведение клеток при заживлении ран и развитии рака

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

Международные исследования 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.

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.