В рамках совместного исследования Южного федерального университета, Донского государственного технического университета с зарубежными коллегами предложили теорию, которая описывает аномальную (по сравнению со здоровой культурой) структуру раковых эпителиальных слоев.

Фото: Пресс-служба Южного федерального универси...

Фото: Пресс-служба Южного федерального университета

С начала прошлого века классические для физики методы и подходы все чаще используются для описания живых систем. Несмотря на то, что развитие живых организмов контролируется в первую очередь их ДНК, физические и симметрийные законы и принципы продолжают себя проявлять и на этом высоком уровне организации материи. Как продемонстрировал российско-французский коллектив, это справедливо и для плоских клеточных слоев.

«Клетки в плоском эпителии делаться и растут в ограниченном пространстве. Они формируют плотный и прочный, но при этом пластичный слой, защищающий внутреннюю среду организма. Если посмотреть на эпителий сверху, то можно заметить, что каждая клетка представляет собой многоугольник, причем частота появления шести-, пяти-, семиугольников в разных организмах и органах будет примерно одинаковой. В раковом эпителии, для которого характерно неконтролируемое и интенсивное деление клеток, эта закономерность нарушается», — рассказал к.ф.-м.н., Ph.D. Иван Голушко

Ростовские ученые проанализировали более 150 фотографий эпителиальных монослоев раковых (HeLa) и здоровых (HCerEpiC) клеток эпителия шейки матки, полученных их французскими коллегами, при этом на каждой фотографии было до 2000 клеток. Для обработки столь большого объема данных была разработана программа на языке Python, с которой под руководством к.ф.-м.н. Дарьи Рошаль работал самый молодой соавтор — студент физического факультета ЮФУ Кирилл Федоренко. Определяя границы клеток и анализируя их топологию, ученые обнаружили существенные различия между структурой ракового и здорового эпителия. Клетки здорового эпителия образуют достаточно упорядоченную структуру, состоящую из похожих по размеру и форме многоугольников, около половины из которых — шестиугольники. Исследование показало, что в раковом эпителии такой упорядоченности не наблюдается: популяция содержит много мелких и крупных клеток неправильной, часто удлиненной формы с сильной различающимся числом граней.

Чтобы объяснить такое различие, ученые использовали микромеханическую модель эпителия, рассматривая его как совокупность многоугольников с упругой энергией, и использовали принцип минимизации свободной энергии, отражающий стремление всех физических систем перейти в состояние с наименьшей энергией. Ученые пришли к выводу, что поскольку раковые клетки делятся примерно в 5–6 раз активнее, система просто не успевает перераспределить энергию и релаксировать в более упорядоченное состояние с большим числом шестиугольников и равномерным распределением клеток по площадям, что и приводит к обнаруженным различиям в топологии клеточных слоев.

Поскольку анализ числа соседей и площадей клеток эпителия достаточно просто автоматизируются, результаты исследования представляют интерес не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения и могут быть использованы для разработки новых методик диагностики патологий.

д.ф.-м.н., профессор кафедры «Нанотехнология» Ф...

д.ф.-м.н., профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль

«В целом наше исследование предоставляет новые математические инструменты для анализа эпителиального морфогенеза 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, такие как деление, гибель, рост клеток в рамках более сложных моделей. Мы надеемся, что это позволит объяснить повышение подвижности клеток, наблюдаемое при эпителиально-мезенхимальном переходе и играющее важную роль в совершенно разных процессах от заживления ран до метастазировании», — подытожил д.ф.-м.н., профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

В работу, опубликованную в научном журнале Journal of The Royal Society Interface, вошли результаты исследований по молодежным проектам, поддержанным Российским научным фондом (РНФ № 20-72-00164) и Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ № 19-32-90134).