Наибольшую угрозу, связанную с онкологическими заболеваниями, представляет метастазирование – распространение клеток опухоли с образованием новых очагов в различных органах. Именно этот процесс становится причиной смерти в подавляющем большинстве случаев (до 90%). Прогнозировать его развитие непросто. Современные методы диагностики, такие как компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и биопсия, нередко выявляют заболевание на запущенных этапах, а стандартное исследование образца ткани не позволяет достоверно оценить степень злокачественности и предрасположенность клеток к распространению. На формирование метастазов опухолью воздействуют три основных фактора, которые ранее исследовались по отдельности: изменения в структуре клеток, перестройка цитоскелета и энергетические затраты. Специалисты Пермского Политеха смогли объединить эти параметры в рамках единой математической модели, что ранее не делалось. Благодаря этому появляется возможность оценить степень злокачественности пораженных тканей и их предрасположенность к метастазированию.
Статья опубликована в журнале «Physical Review E».
Вопрос распространения онкологических заболеваний по-прежнему стоит очень остро в современной медицине. Наибольшую угрозу представляют не сами новообразования, а их склонность к метастазированию: злокачественные клетки отпочковываются и, попадая в кровоток или лимфатическую систему, формируют новые очаги поражения в других органах. Как правило, именно этот процесс становится причиной летального исхода в 90% случаев.
Для распространения в другие органы раковым клеткам необходимо преодолевать тесные промежутки между клетками и стенки сосудов. Этот процесс сопряжен со значительными механическими усилиями, вызванными сопротивлением окружающих тканей и потока крови. Хотя клетки организма подвергаются давлению, их реакции на него различны.
Основное отличие заключается в том, что здоровая клетка, как правило, проявляет упругость: при сжатии она стремится восстановить первоначальную форму. Ей трудно сохранять деформированное состояние длительное время — это характерная особенность.
Злокачественная раковая клетка ведет себя иным образом, проявляясь более пластичной по сравнению с нормальными клетками. Ее приоритетная задача – не поддержание структуры, а адаптация к внешним воздействиям. Для достижения этой цели она активирует внутренние процессы: ее цитоскелет, выполняющий роль каркаса, не только сжимается, но и разрушает старые соединения, формируя новые. Этот внутренний хаос сопряжен с существенными затратами энергии, однако именно он делает клетку податливой и способной к перемещению. Таким образом, значительные энергетические ресурсы расходуются на повышение пластичности раковой клетки. Чем более эффективно и устойчиво это происходит, тем выше вероятность ее отрыва от первичной опухоли и формирования метастазов.
Оценить предрасположенность опухоли к метастазированию заранее крайне затруднительно. Современные методы диагностики, такие как рентгенография, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и стандартная биопсия (взятие образца ткани для исследования), нередко выявляют заболевание на запущенных этапах или обнаруживают метастазы уже после их формирования. Гистологическое исследование (микроскопическое изучение среза ткани) опухоли позволяет определить ее тип и стадию, однако не дает возможности с высокой точностью спрогнозировать ее агрессивность, вероятность повторного возникновения и готовность к распространению в организме. Для этого необходим иной, принципиально новый маркер – показатель активности клетки, ее потенциала к миграции.
На его состояние воздействуют три основных фактора: механическое воздействие на клетку, изменения в ее цитоскелете и энергетические затраты – ранее каждый из них рассматривался отдельно. Специалисты Пермского Политеха смогли устранить эту изолированность, разработав математическую модель, которая впервые объединила все эти параметры в единый показатель и предоставила возможность определить комплексную оценку степени воздействия на клетку.
Предлагаемая разработка позволяет изучать деформации клетки при воздействии нагрузки и определять величину энергии, необратимо рассеиваемой в этом процессе.
В ходе тестирования модели с использованием экспериментальных данных, полученных при работе с раковыми клетками кожи, ученые совершили значительное научное открытие.
— Выяснилось, что метастатические клетки обладают характерной чертой: вне зависимости от величины внешнего давления, они расходуют на перестройку неизменно одинаковое количество энергии. Их внутренняя деятельность, направленная на повышение пластичности, не усиливается при сильном воздействии и не ослабевает при слабом — она остается постоянной и при этом высокой, — рассказал Александр Никитюк, доцент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ .
В ходе исследований ученые выявили характерный «энергетический почерк» метастатических клеток. Их система функционирует как отточенный механизм, который неизменно и предсказуемо направляет максимальное количество энергии на деформацию. Постоянное и избыточное потребление ресурсов, возможно, является их скрытым признаком агрессивности.
В результате этого открытия ученые предложили новый измеримый показатель — «частота диссипативных процессов». Он представляет собой числовую оценку, характеризующую энергозатраты и стабильность процесса изменения раковой клетки, связанного с перестройкой цитоскелета. Высокое и стабильное значение этого параметра указывает на значительный метастатический потенциал.
В перспективе данная модель послужит основой для разработки диагностического теста. Медицинские работники смогут исследовать образец опухоли, оценить реакцию раковых клеток на внешнее воздействие и, благодаря специальной программе, оперативно получить важную характеристику – их индивидуальный «энергетический профиль». Если он будет демонстрировать устойчиво высокий уровень, это станет явным признаком того, что опухоль, даже на начальной стадии, склонна к распространению. Подобное исследование позволит онкологам оперативно выявлять пациентов с наибольшей вероятностью развития метастазов и назначать им более агрессивную и точечную терапию на самых ранних этапах, избегая необходимости ждать появления очагов поражения на изображениях.
Не менее значимым является и то, что модель с такой же высокой точностью сможет обнаруживать опухоли с минимальным риском метастазирования, которые не проявляют характерных признаков. Это позволит избежать необоснованной, токсичной терапии в тех случаях, когда она не требуется. Следовательно, данное открытие способствует развитию персонализированной медицины: она предполагает своевременное подавление наиболее серьёзной угрозы и защиту пациентов от излишнего лечения.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ