Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) с помощью математической модели объяснили, как с помощью гравитации можно влиять на состояние раковых клеток. Методика поможет в развитии новых стратегий лечения онкозаболеваний через управление механическим состоянием опухолей, рассказали ТАСС в пресс-службе вуза.
"Ключевой проблемой в лечении онкологических заболеваний является пластичность опухолевых клеток – их способность из стабильного положения переходить в подвижное и образовывать метастазы. Важную роль в этом процессе играют и физические силы, в частности гравитация. Однако ранее проведенные эксперименты не смогли объяснить механизм этого явления. Ученые Пермского политеха впервые создали математическую модель, объясняющую, как именно гравитация меняет состояние клетки", – сообщили в ПНИПУ.
По словам исследователей, долгое время считалось, что все ключевые процессы в клетке, включая переход от покоя к движению, управляются биохимическими сигналами – работой определенных белков и генов. Однако в последние годы ученые пришли к тому, что физические факторы также играют роль в ее поведении и судьбе. Например, давление, натяжение, жесткость клетки и обычная сила тяжести напрямую влияют на то, как клетка себя поведет. Согласно исследованиям, в условиях изменения гравитации клетки, в том числе раковые, начинают вести себя иначе и меняют форму. Это означает, что гравитация выступает в роли физического регулятора, который удерживает клетку в определенном положении, а ослабление этой силы влияет на появление новых состояний. Так ученые ПНИПУ пришли к созданию математической модели, с помощью которой впервые объяснили влияние гравитации на изменение раковой клетки. По данным вуза, подобных результатов в мировой науке ранее не было.
"Переключение" клетки в нужное состояние
Моделирование показало, что при наличии гравитации клетка была стабильна и сохраняла одну определенную форму. Однако в условиях невесомости она теряла свою устойчивость и могла "переключиться" в одно из двух состояний: стать либо "твердой", либо "жидкой". Эти два состояния есть и на Земле, они возникают в процессе развития рака. Однако переключение между ними – сложный процесс, требующий вмешательств в работу генов. В невесомости эти состояния появляются мгновенно. В какое именно положение перейдет клетка в невесомости, согласно моделированию, определяет дополнительное физическое воздействие на клетку. Ученые применяли сжатие и растяжение, поскольку они имитируют давление соседних клеток или натяжение при движении жидкости, которые возникает в организме. Моделирование с применением этих физических воздействий показало, что сжатие направляет клетку в "твердое" состояние, а растяжение, напротив, переключает в "жидкое".
"На основании результатов исследования мы сделали вывод о возможности управления клеткой. Для изменения необходимо сначала создать условия, при которых значение введенного нами структурного параметра окажется низким, чтобы клетка стала "готова" к изменениям. После этого можно направить ее в нужное состояние с помощью искусственно созданного слабого сжатия или растяжения. Таким способом мы можем повлиять на поведение и форму клетки, потенциально активировав нарушенный механизм апоптоза (разрушения – прим. ТАСС), что облегчит процесс лечения рака", – рассказал доцент кафедры "Математическое моделирование систем и процессов" ПНИПУ Александр Никитюк.
По словам ученых, согласование итогов исследования с установленными ранее фактами подтвердило, что модель адекватно отражает влияние гравитации на поведение клеток, что открывает "принципиально новый подход к управлению опухолью".
"Чтобы целенаправленно изменить форму и поведение (например, перевести раковую клетку в менее агрессивное состояние и сделать ее более уязвимой для лечения), достаточно искусственно понизить параметр и добавить слабое воздействие. Этого можно добиться не только путем "отключения" гравитации, но и с помощью специальных препаратов, использования механического напряжения, электрического поля и ультразвука", – добавил Никитюк.
Как пояснили в университете, дальнейшие исследования ученых будут направлены на экспериментальную проверку возможности управлять фенотипом раковых клеток путем изменения механических параметров их цитоскелета. Целью станет также разработка конкретных биомедицинских инструментов и подходов. Например, химических агентов или биоматериалов, которые, имитируя эффект микрогравитации, смогут обратимо модифицировать опухоль для терапии.