ПЕРМЬ, 27 октября. /ТАСС/. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) создали виртуальную модель эпителиальной ткани, способную прогнозировать развитие опухолей и других серьезных патологий при повреждениях. Такая компьютерная модель, в которой учитываются механические и химические свойства каждой отдельной клетки ткани, позволяет воссоздать реальное поведение живых тканей при порезах, ожогах, онкологических процессах, а также предсказать их последующие действия, рассказали ТАСС в пресс-службе вуза.
"Способность организма к регенерации - сложный биологический процесс, при котором клетки координированно восстанавливают поврежденные ткани. Однако при различных патологиях эта система нарушается. У пациентов с диабетом возникают незаживающие язвы, после ожогов образуются рубцы, а при онкологии естественные механизмы клеточного деления и миграции приводят к метастазированию. Принципиально важно, что и нормальное заживление, и патологический рост опухоли управляются единым механизмом - движением эпителиальных клеток. Современные методы исследования ограничены: эксперименты в пробирке не отражают реальную сложность организма, врачи видят лишь конечные стадии болезней, а компьютерные модели либо игнорируют химические сигналы, либо используют упрощенные расчеты. Это мешает понять начальные этапы развития заболеваний. Ученые Пермского политеха разработали алгоритм, который воспроизводит поведение живых тканей при порезах, ожогах, онкологических процессах - и прогнозирует их дальнейшее развитие", - сообщили в вузе.
По словам ученых, и заживление ран, и рост опухоли управляются одним и тем же принципом - движением элементов эпителиальной ткани. Чтобы научиться контролировать этот механизм, ученые применяют разные методы: биологи наблюдают за клетками в пробирке, а врачи исследуют образцы уже развившихся опухолей у пациентов. Существующие компьютерные модели либо учитывают только физические свойства клеток, игнорируя химические сигналы, либо используют упрощенные расчеты и не могут точно описать изменение формы клеток при делении или движении. То есть эти подходы не способны полностью воспроизвести сложность живого организма и показывают только конечный результат болезни, упуская ее начальные стадии развития. В разработке пермских ученых учитываются и механические, и химические свойства каждой отдельной клетки.
Виртуальная модель эпителиальной ткани
Модель, разработанная в ПНИПУ, впервые учла два важных принципа: в ней каждая клетка способна вести себя как самостоятельный объект со своими свойствами, кроме того, учитывается влияние химических сигналов организма на физическое состояние структурного элемента и наоборот. Например, человек почувствовал запах еды (химический сигнал) и пошел на кухню (движение). И наоборот - человек начинает жевать (механическое воздействие), и во рту выделяется слюна (биохимическая реакция). Так же работают и отдельные клетки: биохимические сигналы заставляют их перемещаться, а физическое давление - менять внутриклеточные процессы.
Виртуальные клетки ведут себя подобно живым: они двигаются, делятся, меняют форму, взаимодействуют с "соседями", а также могут чувствовать сжатие, растяжение и даже "толкаться" друг с другом. Работоспособность такого цифрового аналога исследователи проверили, воспроизведя реальную травму (порез), при которой мозг запускает механизм оповещения о повреждении. Виртуальные клетки продемонстрировали скоординированное движение к источнику сигнала, полностью повторив естественный процесс регенерации тканей. Это, по словам ученых, подтвердило гипотезу о том, что модель точно воспроизводит все принципы восстановления, как в живых организмах.
"Наша внутренняя среда неоднородна - она содержит как жесткие (костные структуры, импланты), так и упругие границы (мышечная система, специальные биоматериалы). Исследования показали, что биологические элементы ведут себя совершенно по-разному в зависимости от типа окружающих препятствий. На жестких границах возникает зона максимального давления - клетки упираются в неподвижную преграду, формируя плотные скопления и опасные точки напряжения. В то же время упругие, податливые границы позволяют равномерно распределять нагрузку - клетки мягко отодвигают эластичные препятствия, снижая внутреннее давление и формируя более здоровую структуру", - рассказал научный сотрудник кафедры "Прикладная физика" ПНИПУ, доцент, кандидат физико-математических наук Иван Красняков.
"Золотая середина" и энергетический баланс
Как отметили в университете, в ходе численного исследования были выявлены параметры поведения клеточных единиц. Ученые обнаружили, что существует "золотая середина", при которой сохраняется баланс между мобильностью и целенаправленным движением. При избыточной подвижности компоненты ткани теряют организованность. По словам младшего научного сотрудника кафедры "Прикладная физика" ПНИПУ Максима Бузмакова, деление клеток является одним из процессов, обусловливающих внутритканевую "переупаковку", то есть естественное изменение взаимного расположения клеток при делении, росте или восстановлении тканей. Когда структурные элементы перестают делиться, возникают области с повышенным давлением, нарушается естественное перераспределение нагрузки между соседними элементами. "Без этого механизма физическое напряжение накапливается, что приводит к тяжелым последствиям: при диабете клетки кожи не могут закрывать раны, а в легких образуется рубцовая ткань вместо здоровой. Прекращение деления лишает ее главного инструмента саморегуляции, что постепенно разрушает структуру и функции", - пояснил Бузмаков.
Исследователи также оценили значение энергетического баланса системы. Модель показала, что при нарушении деления биологических единиц энергия в клеточной системе распределяется неравномерно - в некоторых участках она достигает критических значений, что непосредственно связано с развитием патологий. Например, при фиброзе легких избыточная энергия в органах приводит к образованию плотных рубцов, а при хронических ранах у диабетиков нарушение энергетического баланса препятствует нормальному заживлению.
Как работает модель
На практике, в частности в онкологии, разработанная пермскими учеными модель будет работать таким образом: у пациента берут образец биологического материала (гистологическую пробу), измеряют ключевые параметры клеток - их механические свойства, склонность к делению и миграции. Затем данные вводятся в систему, что позволяет воспроизвести индивидуальное развитие опухолевой ткани, спрогнозировать ее рост, потенциальное метастазирование и оценить эффективность различных терапевтических воздействий на течение болезни с помощью компьютерного моделирования до их применения на пациенте.
Как отметили в ПНИПУ, новая компьютерная платформа может применяться в широком спектре задач за счет своей гибкости. В частности, она открывает возможности для восстановительной медицины - от предсказания заживления ран до борьбы с раком. Также, создавая цифровую копию ткани пациента, врачи смогут подбирать индивидуальное лечение для каждого человека. Исследование пермских ученых было выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда.
