Секрет в клетке. Физики научились прогнозировать поведение живых тканей

Пермские специалисты научились прогнозировать поведение разных клеток, в том числе – эпителия. Это ткань, которая покрывает все органы и тело человека. В основе разработки – математическая модель. Исследование может помочь врачам с выбором стратегии лечения пациентов, в развитии регенеративной медицины. Подробнее – в материале сайта perm.aif.ru.

Мечтал быть учителем

Один из разработчиков математической модели – Иван Красняков. Сейчас он – кандидат физико-математических наук. А будучи ребёнком, даже не предполагал, что может однажды стать исследователем. Мечтой была работа учителем физики.  

«Я любил этот предмет, ведь он помогает понять, как всё устроено. В восьмом классе я вдруг подумал: “Крутой у нас учитель физики, хочу быть таким же!” В результате поступил в пермский педуниверситет. Наш декан Денис Полежаев был очень интересным человеком. С первого курса он водил студентов на экскурсии по исследовательским институтам, предприятиям. Хотел вовлечь нас в науку. Одно из ярких моих воспоминаний – как я ткнул пальцем в наножидкость во время экскурсии по лаборатории института механики сплошных сред», – рассказывает научный сотрудник кафедры прикладной физики ПНИПУ Иван Красняков.

«Я любил этот предмет, ведь он помогает понять, как всё устроено. В восьмом классе я вдруг подумал: “Крутой у нас учитель физики, хочу быть таким же!”. В результате поступил в пермский педуниверситет. Наш декан Денис Полежаев с первого курса водил студентов на экскурсии по исследовательским институтам, предприятиям. Хотел вовлечь нас в науку. Одно из ярких моих воспоминаний – как я ткнул пальцем в наножидкость во время экскурсии по лаборатории института механики сплошных сред».

Перед первой курсовой студентам велели пообщаться с преподавателями и выбрать научного руководителя. Иван Красняков честно обошёл всех педагогов, но не определился. Тогда декан в добровольно-принудительном порядке отправил его на кафедру теоретической физики и компьютерного моделирования физического факультета к одному из самых суровых, по слухам, преподавателей – Дмитрию Брацуну.

«На кафедре тогда решали серьёзную задачу, которая была связана с течением жидкости в петле, которую нагревали в разных точках. Повышение температуры вызывало конвекцию (перенос тепла с места на место за счёт движения жидкости или газа). Учёные пытались путём поворота петли в гравитационном поле погасить этот процесс. Пример из жизни: когда борщ закипает в кастрюле, он начинает вытекать наружу как раз-таки в результате конвекции. Если управлять последней, этого не происходит. Борщ варится, но через край не вытекает. Мне поручили решить часть поставленной задачи. Когда это удалось в рамках курсовой работы, я ощутил некий экстаз!» – рассказывает Иван Красняков.

На четвёртом и пятом курсах будущий учёный приблизился к своей мечте: студенты проходили педагогическую практику в школе.

«Мне понравился процесс. Я готовился к урокам: писал план подачи материала, вставлял шутки, репетировал. Как я задумывал, так всё и проходило. Это было приятно», – вспоминает Иван Красняков. 

Клетки общаются

Когда пришло время писать диплом, Иван Красняков вновь выбрал в качестве научного руководителя Дмитрия Брацуна и получил новую задачу. Она была связана с синтезом живой тканью белка. С его помощью клетки общаются друг с другом.

«Это происходит в нашем организме постоянно. Мы смотрим фильм или идём по улице, а клетки общаются. Допустим, человек порезал палец. Эту информацию получают клетки у раны. Их задача – передать дальше сигнал о том, что необходимо заживлять ткани.

Клетка начинает считывать заключённую в ней ДНК и на определённом этапе этого процесса запускает синтез белка, – объясняет Иван Красняков. – Как клетка решает, на каком именно этапе считывания ДНК начать синтезировать белок – загадка. Но этот промежуток называется временем запаздывания синтеза. Когда белок попадает в соседние клетки, там запускается точно такой же процесс. Сначала белок испускается несинхронно. Но со временем «волна» становится упорядоченной. Мы выяснили, какое время запаздывания оптимально для процесса синхронизации клеток».

«Мы смотрим фильм или идём по улице, а клетки общаются. Допустим, человек порезал палец. Эту информацию получают клетки у раны. Их задача – передать дальше сигнал о том, что необходимо заживлять ткани. Клетка начинает считывать заключённую в ней ДНК и на определённом этапе этого процесса запускает синтез белка. Как клетка решает, на каком именно этапе считывания ДНК начать синтезировать белок – загадка».

При этом сегодня существуют технологии, которые позволяют контролировать такие процессы в тканях. Речь о генной инженерии.

Дипломную работу Ивана Краснякова высоко оценили. Научный руководитель предложил ему поступить в магистратуру в ПНИПУ, где работал в должности заведующего кафедрой «Прикладная физика». Параллельно Иван Красняков устроился в школу учителем. Казалось бы, мечта воплотилась в жизнь. Однако приходилось одному вести уроки у всех 7-11 классов. Нагрузка оказалась слишком большой. Школу пришлось покинуть. 

Раковая опухоль – живой организм

Во время магистратуры молодой учёный отправился на стажировку в Израиль, где на основе литературы исследовал развитие раковых клеток в эпителиальной ткани (такие опухоли называются карциномой). С израильским профессором Леном Писменом он начал разрабатывать математическую модель этого процесса.

«Раньше медики считали, что опухоль – это ткань, состоящая из одинаковых клеток, скопление которых лечат или удаляют. Но уже доказано, что это живой организм, который думает и может подстраиваться под меняющиеся условия (к примеру, лечение), чтобы не погибнуть. В 2015 году вышла научная статья “Опухоль, как деревня” (Tumorigenesis: it takes a village). Там объяснялось, что в этой “деревне” живут разные раковые клетки. Одни руководят “населением”, у других роль полиции… Раковые клетки живут и развиваются, взаимодействуют друг с другом разными способами. Мы исследовали, как опухоль вырастает из одной клетки, какого типа она может быть в зависимости от параметров окружающей здоровой ткани», – говорит Иван Красняков.

Статью, выпущенную по итогам теоретического исследования, рецензировал известный томский онколог. Он посчитал, что в целом работа хорошая, и результаты исследования можно использовать для прогноза развития раковых клеток. Воодушевлённые учёные были готовы сотрудничать с онкологами. Но столкнулись со скептическим отношением.

«Однажды я спросил у практикующего онколога, как он видит место математических моделей в клинической онкологии. Он сказал: “Знаете что, если бы мы все были одинаковыми, мы бы давно разработали универсальный продукт для лечения рака. Но все люди разные. И для каждого человека вы такое разработать не сможете”. На самом деле, в нашу математическую модель, которая прогнозирует развитие опухоли, можно вводить данные конкретного человека.

Но чтобы продолжить исследование в этом направлении, необходимо работать с биоматериалом. Тут встаёт вопрос этики. Кроме того, для расчёта параметров клеток пациентов требуются дорогостоящее оборудование и эксперт, который сможет на нём работать. У врачей нет такой техники. Думаю, использовать такие разработки медики будут лет через 50», – считает Иван Красняков.

«Раньше медики считали, что опухоль – это ткань, состоящая из одинаковых клеток, скопление которых лечат или удаляют. Но уже доказано, что это живой организм, который думает и может подстраиваться под меняющиеся условия (к примеру, лечение), чтобы не погибнуть».

Главное – не останавливаться

Молодой учёный признаётся, что работа по исследованию биологических процессов с помощью законов физики затянула его. После защиты диссертации, посвящённой моделированию раковых образований, Иван Красняков решил сосредоточить своё внимание на эпителии. Учёные ПНИПУ разработали математическую модель морфогенеза (развития) этой ткани.

«Клетки проходят через различные изменения и превращения, чтобы образовать правильную структуру. Математическая модель позволяет отслеживать их динамику в пространстве, воспроизводить деление, перестройку, обмен химическими сигналами. Это открывает возможность прогнозировать развитие тканей, заживление ран и развитие опухолей», – поясняет Иван Красняков.

«Клетки проходят через различные изменения и превращения, чтобы образовать правильную структуру. Математическая модель позволяет отслеживать их динамику в пространстве, воспроизводить деление, перестройку, обмен химическими сигналами. Это открывает возможность прогнозировать развитие тканей, заживление ран и развитие опухолей».

Также учёные придумали оптимальную форму для скаффолдов – это строительные леса для клеток. Они применяются в биоинженерии.

«Это когда выращивают ткань, чтобы потом вживить её. Технологию используют, к примеру, при сложных переломах (специалисты выращивают костную ткань). Скаффолды заселяют стволовыми клетками человека и помещают в питательную среду. Потом ткани изымают и вживляют.

Но вырастить клетки не так просто. К примеру, они могут перекрывать питание друг другу. Мы с помощью нашей математической модели показали возможное решение этой проблемы, предложив делать скаффолды определённой формы и с градиентной пористостью», – рассказывает Иван Красняков.

С помощью высококачественного 3D-принтера в лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ печатают скаффолды из биосовместимых материалов. Их уже используют для экспериментального выращивания клеток.

«Я надеюсь, что мои исследования помогут человечеству или животным. Наука должна приносить пользу миру, иначе это плохая наука», – говорит Иван Красняков.

Проект «Наука открывать» получил поддержку Института развития интернета (АНО «ИРИ»).