Ученые создали модель поведения клеток эпителия для регенеративной медицины
Математическую модель развития эпителиальных тканей, с помощью которой можно предсказать поведение ее клеток при различных условиях и воздействиях со стороны внешней среды или соседних клеток, разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 11 апреля сообщает пресс-служба вуза.
Результаты исследования созданной модели ее авторы представили в статье «Математическое моделирование ранних процессов морфогенеза эпителиальных тканей», опубликованной в «Российском журнале биомеханики» № 1 за 2024 год.
Эпителий как пограничная внутренняя или внешняя ткань органов человека, образующая в том числе его кожу, играет важную роль в организме, обеспечивая защиту от вредных воздействий.
В случае эпителия кожи, его клетки осуществляют терморегуляцию и регулировку потери влаги. Эпителий слизистых оболочек внутренних поверхностей органов пищеварения, дыхательных и мочевыводящих путей, репродуктивной системы защищает их от механических повреждений и инфекций.
Железистые эпителии формируют структуру желез организма, в том числе печени, поджелудочной железы и сальных желез, осуществляя секрецию различных веществ.
Эпителий внутреннего покрытия кровеносных сосудов, обеспечивая им гладкую поверхность для свободного течения крови, кроме того регулирует проницаемость сосудистой стенки для поступления в кровь полезных веществ и удаления вредных.
Развитие (морфогенез) эпителия состоит из стадий деления его клеток, их перемещения и специализации под выполнение определенных задач в организме. Знание того, что происходит с клетками эпителия на всех этих стадиях, необходимо для понимания различных биологических процессов, в том числе роста тканей, заживления ран и развития заболеваний.
При этом экспериментальное изучение формирования и развития тканей является очень сложным и трудоемким процессом. На помощь исследователям в этом случае приходит математическое моделирование процессов. Разработанная учеными модель позволит проанализировать большие объемы данных, выявляя закономерности, незаметные иногда при использовании традиционных методов.
Математическая модель, которую разработали ученые ПНИПУ, описывает морфогенез эпителиальных тканей на уровне функциональной единицы — клетки. Модель позволяет отслеживать ее динамику в пространстве и подробно воспроизводить клеточные процессы, такие как деление, интеркаляцию (перестройку клетки при возникновении локальных избыточных напряжений) и обмен химическими сигналами.
Такие возможности позволяют использующим модель исследователям моделировать развитие тканей, миграцию клеток, заживление ран или развитие злокачественных образований.
Научный сотрудник кафедры прикладной физики ПНИПУ кандидат физико-математических наук Иван Красняков рассказал о проделанной коллективом исследователей работе при разработке модели:
«Мы представляем многоуровневую математическую модель развития эпителиальной ткани. Особое внимание уделяем структурной единице многоклеточной ткани — клетке как элементу большой сложной системы. Наша модель отличается введенным потенциалом, который определяет взаимодействие всей системы, уникальным алгоритмом деления клеток, способностью учитывать взаимообратную связь между химическими и механическими сигналами и наличием интеркаляции — реального процесса живой материи».
Имея фундаментальный характер, работа ученых пермского Политеха позволит с помощью новой модели предсказывать поведение тканей эпителия при различных условиях и воздействиях. Это в свою очередь поможет в разработке стратегий лечения заболеваний и создании новых методов регенеративной медицины.
Другой областью ее применения может стать тканевая инженерия, которой модель поможет оптимизировать, например, процессы создания искусственных органов. Кроме того, знание механизмов развития опухолей и иных патологий станет стимулом для разработки новых эффективных методов диагностики и лечения рака и других заболеваний.
Воспользоваться моделью пермских ученых могут как исследователи в области биомедицины и фармацевтики, так и клинические специалисты в области медицинской диагностики и лечения, считают разработчики.
