Рак желудка занимает одно из ведущих мест среди онкологических заболеваний в мире как по частоте выявления, так и по смертности. Его начальные признаки часто бывают слабо выражены, а диагностика нередко задерживается до поздних стадий, что негативно сказывается на результатах лечения и прогнозе. В связи с этим, изучение и определение ранних маркеров развития рака желудка крайне важно для своевременной диагностики и эффективного лечения, сообщает научное издание EurekAlert!.
За последние годы прогресс в системной биологии и статистической физике открыл возможности для создания новых методов моделирования и прогнозирования сложных заболеваний. Сети регуляции генов, играющие важную роль в поддержании стабильных фенотипических состояний клеток и их переходе между ними, содержат значительный объем динамических данных.
Обычно исследования сосредоточены на статических различиях в экспрессии генов, что не позволяет выявить важные динамические изменения, происходящие в процессе развития болезни. В данном исследовании, использующем принципы неравновесной статистической физики, была построена регуляторная сеть ключевых генов, связанных с раком желудка, и применены теоретические методы, такие как потенциальный ландшафт и стационарный поток вероятностей, для количественной оценки динамической устойчивости системы и процессов рассеивания энергии.
Используя моделирование, имитирующее изменения состояний при различных мутациях или изменениях уровня регуляции, удалось определить показатели, сигнализирующие о ранних стадиях, включая скорость образования энтропии, средний поток, критическое замедление и мерцание. Данная работа предлагает инновационный метод анализа механизмов развития рака желудка и его ранних диагностических признаков, рассматривая их с точки зрения динамики, и создает методологическую базу для разработки клинических систем раннего предупреждения.
На основе анализа данных об экспрессии генов, представленных во временных рядах, и с использованием теорий неравновесного потенциального ландшафта и стационарного потока вероятностей, исследователи определили ранние индикаторы развития рака желудка, опираясь на такие параметры, как скорость образования энтропии и средний поток.
Моделирование продемонстрировало, что модификация регуляторной активности TGF-β вызывает изменения в устойчивом состоянии системы. Оценивая колебания ряда неравновесных динамических параметров, исследователи смогли точно выявить ключевые динамические характеристики, предшествующие переходу в устойчивое состояние. Эти параметры позволяют детально понять физические механизмы, обуславливающие развитие рака, и служат надёжной теоретической базой для ранней диагностики, как отметили ученые.
Несмотря на то, что средний поток и скорость образования энтропии могут быть использованы в качестве числовых индикаторов раннего предупреждения при диффузном раке желудка, их измерение затруднено в клинической практике. Для решения этой задачи авторы рассчитали разницу между прямой и обратной двухгенными кросс-корреляционными функциями, используя смоделированные траектории экспрессии генов. Это позволило количественно оценить необратимость во времени и, как следствие, охарактеризовать неравновесную динамику системы.
Данный метод обеспечивает возможность эффективной количественной оценки неравновесных процессов, происходящих в раковых системах, без непосредственного измерения среднего потока, что позволяет обойти практические трудности, возникающие при определении данных параметров. Статья опубликована в журнале Quantitative Biology.
[Фото: ru.123rf.com]