Российские и французские ученые создали математическую модель, которая описывает изменения, происходящие с клетками эпителия при их превращении в раковые. Здоровые клетки имеют форму многоугольников, а распределение по числу «сторон» сходно в делящихся эпителиях различных организмов. При неконтролируемом делении и росте такая упорядоченная структура нарушается. Результаты работы, поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of The Royal Society Interface.
Каждая клетка плоского эпителия при взгляде сверху представляет собой полигон, то есть многоугольник. Соотношение числа таких шести-, пяти-, семиугольных клеток в норме у разных организмов оказывается примерно одинаковым. Однако эта закономерность может нарушаться, что происходит в раковых эпителиальных слоях, в которых число шестиугольников существенно уменьшается.
Ученые из Донского государственного технического университета и Южного федерального университета совместно 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 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.
В разупорядоченном состоянии клеточный слой начинает вести себя скорее как жидкость, а не как твердое тело, и клетки постоянно меняют 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 точки 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 проекта Сергей Рошаль.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
