Теорию, описывающую структуру раковых эпителиальных слоев, разработали совместно ученые Южного федерального университета, Донского государственного технического университета и их французские коллеги, 24 мая сообщает пресс-служба ЮФУ.

Хотя развитие живых организмов, в первую очередь, управляется их ДНК, тем не менее, оно подчиняется общим для всей материи физическим законам и принципам. Справедливость этого для плоских клеточных слоев продемонстрировал российско-французский коллектив в исследовании, результаты которого были опубликованы в статье Journal of The Royal Society Interface «Случайный характер монослоев эпителиальных раковых клеток».

Соавтор статьи из ЮФУ, кандидат физико-математических наук Иван Голушко рассказал:

«Клетки в плоском эпителии делятся 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».

Чтобы установить этот факт, ростовскими учеными было проанализировано свыше 150 фотографий эпителиальных монослоев раковых (HeLa) и здоровых (HCerEpiC) клеток эпителия шейки матки, сделанных их французскими коллегами из Университета Монпелье.

Поскольку каждая фотография содержала до 2000 клеток, для их анализа была разработана программа на языке Python, с помощью которой определялись границы клеток и выполнялся анализ их топологии.

В результате исследователи установили существенные различия между структурой ракового и здорового эпителия. Клетки здорового эпителия создают упорядоченную структуру из близких по размеру и форме многоугольников. При этом около половины из них — шестиугольники.

В отличие от здоровой ткани, в раковом эпителии такой упорядоченности нет. Пораженная раком ткань содержит много мелких и крупных клеток неправильной, часто удлиненной формы и сильно различающимся числом граней.

Для того, чтобы выяснить природу таких различий, ученые создали микромеханическую модель эпителиального слоя как совокупности многоугольников с упругой энергией и применили принцип минимизации свободной энергии, отражающий стремление всех физических систем переходить в состояние с наименьшей энергией.

Исследование модели привело их к выводу, что быстрое (в 5–6 раз) деление раковых клеток приводит к тому, что система не успевает перераспределять энергию и переходить в более упорядоченное состояние с большим числом шестиугольников и равномерным распределением клеток по площадям, как в здоровых тканях. Это и приводит к выявленным различиям в топологии клеточных слоев, считают авторы исследования.

Разработанный метод анализа, считают разработчики, из-за его универсальности может быть применен для разработки новых методик диагностики патологий. Профессор кафедры «Нанотехнология» физического факультета ЮФУ, доктор физико-математических наук Сергей Рошаль пояснил:

«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».

Ученые надеются, что эти исследования помогут объяснить повышение подвижности клеток при эпителиально-мезенхимальном переходе, которое играет важную роль в совершенно различных процессах от заживления ран до метастазирования.