Срочные новости раздела
На злокачественную опухоль укажет распределение эпителиальных клеток по числу «сторон»

На злокачественную опухоль укажет распределение эпителиальных клеток по числу «сторон»

Ростовские ученые вместе с французскими коллегами создали математическую модель, которая описывает изменения, происходящие с клетками эпителия при их превращении в раковые. Здоровые клетки в монослое имеют форму многоугольников, а распределение по числу «сторон» сходно в делящихся эпителиях различных организмов. При неконтролируемом делении и росте, характерном для злокачественных образований, такая упорядоченная структура нарушается. Математическая модель, созданная авторами, поможет в изучении развития нормальных и раковых эпителиальных слоев.

Монослой раковых клеток, выделенных из эпителия шейки матки© Marianne Martin

В организмах действуют те же симметрийные законы и принципы, которые мы привыкли использовать, описывая движение и эволюцию неживых систем. Это справедливо и для клеточных слоев, которыми являются, например, разнообразные эпителии.

Если посмотреть на плоский эпителий сверху, то можно заметить, что каждая клетка представляет собой полигон, то есть многоугольник. Соотношение числа таких шести-, пяти-, семиугольных клеток (первых больше всего) в норме у разных организмов оказывается примерно одинаковым. Однако эта закономерность может нарушаться, что и происходит в раковых эпителиальных слоях, в которых число шестиугольников существенно уменьшается.

«Имея модель, которая связывает процессы, протекающие в клеточных слоях, с такими простыми геометрическими характеристиками, как число «сторон» и площадь клеток, можно обнаруживать и исследовать патологии развития с помощью микроскопии и компьютерного моделирования», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Иван Голушко, кандидат физико-математических наук, сотрудник Донского государственного технического университета.

В своем новом исследовании физики Донского государственного технического университета и Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) вместе с французскими коллегами показали, что бесконтрольное деление, характерное для злокачественных образований, нарушает универсальную топологию эпителиального монослоя, то есть соотношение количества многоугольников разных сортов. Ученые проанализировали изображения монослоев нормальных и раковых клеток эпителия шейки матки, определив площади клеток и количество их ближайших соседей. Чтобы объяснить обнаруженные различия между здоровым и раковым клеточными монослоями, авторы предложили простую геометрическую модель, основанную на случайных разбиениях плоскости многоугольниками.

Плоский здоровый пролиферативный (делящийся) эпителий многих видов животных и растений содержит 25−27% клеток с пятиугольной формой, 41−47% с шестиугольной и около 22% клеток с восьмиугольной формой. При этом клетки характеризуются относительно небольшим разбросом площадей. В случае ракового эпителия такой упорядоченной структуры не наблюдается: появляются мелкие и крупные клетки удлиненной формы с множеством граней. Чтобы объяснить эту разницу, ученые использовали принцип минимизации свободной энергии, отражающий стремление всех физических систем перейти в наиболее низкоэнергетическое упорядоченное состояние. Поскольку раковые клетки делятся примерно в 5−6 раз быстрее, эпителий не успевает прийти к обычному равновесию, и появляются клетки разной формы и размера. Низкая скорость деления клеток в нормальном эпителии позволяет ему релаксировать и находиться в состоянии с большим числом шестиугольников и более низкой энергией.

Интересно, что в разупорядоченном состоянии клеточный слой начинает вести себя скорее как жидкость, нежели твердое тело, и клетки постоянно меняют свое положение. Такое повышение подвижности, наблюдаемое при эпителиально-мезенхимальном переходе, играет важную роль в эмбриональном развитии, заживлении ран и метастазировании.

«В целом наше исследование предоставляет новые математические инструменты для топологического анализа эпителия как при раке, так и при нормальном эмбриональном развитии. В дальнейшем мы планируем глубже изучить, как на топологию и «механические» свойства монослоя влияют разнообразные естественные процессы — деление, гибель и разные темпы роста клеток. Безусловно, без исследования процессов, проходящих на молекулярном уровне, невозможно получить полную картину развития эпителиальных слоев, однако, опираясь на компьютерную обработку изображений и на физические модели, можно обнаружить общие закономерности, представляющие интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. В этом году наша группа получила большой грант РНФ, в рамках которого мы собираемся разработать и применить новые физические подходы к самосборке и функционированию вирусов — другой относительно простой биологической системы», — подводит итог руководитель группы Сергей Рошаль, профессор кафедры «Нанотехнология» физического факультета ЮФУ.

Результаты работы, поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of The Royal Society Interface Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Исследовательская группа под руководством ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) описала возможный биологический механизм, связывающий два заболевания, при котором рак молочной
подробнее...

Американские ученые выяснили, как небольшие генетические изменения позволили электрическим рыбам развить электрические органы. Открытие может помочь исследователям определить генетические мутации,
подробнее...

Работа примерно половины антибиотиков основана на том, что они подавляют активность рибосом, синтезирующих необходимые для жизни клетки белки. Однако рибосомы у грибков и человека очень похожи,
подробнее...

Коллаборация исследователей при участии специалистов Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ представила новый способ борьбы с трудноизлечимой меланомой. Ученые обнаружили, что одна из форм
подробнее...

Немецкие физики применили технику времяпролетной визуализации к вырожденному атомному ферми-газу в оптической ловушке для исследования механизма образования атомами куперовских пар. Спаривание
подробнее...

Исследователи из Бостонского колледжа (США) обнаружили новую частицу — так называемую аксиальную моду Хиггса. Материалы, содержащие эту частицу, могут служить квантовыми датчиками для оценки других
подробнее...

Палеонтологи изучили покровы хорошо сохранившегося экземпляра пситтакозавра и обнаружили у него пупочный рубец (фактически пупок), как у некоторых крокодилов и ящериц. Это первая находка пупка среди
подробнее...

Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит с эффектом обратной связи и исследовали его динамику. Сами кристаллы представляли собой магнонные конденсаты, сформированные в жидком
подробнее...

Команда ученых из ВШЭ, Сколтеха, МПГУ, МИСИС создала нанофотонный микрофлюидный сенсор, потенциально применимый для диагностики, сопровождения и оценки эффективности лечения онкологических
подробнее...

Биоинформатики ИТМО разработали сервис для анализа клеточного метаболизма — биохимических реакций, отвечающих за жизнедеятельность клеток, — Shiny GATOM. В отличие от аналогов предложенный инструмент
подробнее...

Сингапурские физики сообщили о первом успешном пленении нейтральных атомов индия в магнитооптической ловушке. Для этого они использовали их лазерное охлаждение с метастабильного состояния. В
подробнее...

Ученые Института математических проблем биологии РАН (Пущино) провели компьютерное исследование структурных и физических свойств самоорганизующихся пептидных нанотрубок на основе дипептида
подробнее...

Коллаборация MicroBooNE подвела итоги нескольких лет работы по проверке гипотезы о том, что причиной аномального сигнала детектора MiniBooNe стал избыток электронных нейтрино. Три разные группы
подробнее...

Международный коллектив, объединивший исследователей из разных областей, среди которых и антрополог МГУ, исследовал ДНК из семи захоронений кыргызстанских кладбищ Кара-Джигач и Бурана, где,
подробнее...

Научная группа из Сколтеха и Сеченовского университета напечатала на 3D-принтере образцы из пористого сплава железа и кремния — создатели считают этот материал перспективным для дизайна костных
подробнее...

Новое исследование британских ученых раскрывает механизм, с помощью которого гены, кодирующие подмножество длинных некодирующих РНК, взаимодействуют с соседними генами, регулируя развитие и функцию
подробнее...

Физики из Германии и России провели сверхточное измерение изотопического сдвига электронного магнитного момента у водородоподобных ионов неона. Совместное измерение пары изотопов в ловушке Пеннинга
подробнее...

Разработан быстродействующий герметик для ран, состоящий из двух белков змеиного яда: экарина, который быстро инициирует свертывание крови, и текстилинина, который предотвращает разрушение тромба.
подробнее...