Эпителий человека: ученые ПНИПУ моделируют поведение клеток для регенеративной медицины
Эпителий – это ткань, которая покрывает поверхность органов и тела. Она играет важную роль в организме, потому что защищает от повреждений, участвует в регуляции и обмене веществ. Изучение формирования и развития тканей через наблюдение и эксперимент – очень сложный и трудоемкий процесс. Математическое моделирование позволяет анализировать большие объемы данных и выявлять закономерности, которые могут быть незаметны при использовании традиционных методов. Ученые Пермского Политеха разработали модель эпителиальных тканей, которая поможет предсказывать поведение клеток при различных условиях и воздействиях со стороны среды или соседних клеток. Это необходимо в разработке стратегий лечения заболеваний или создании новых методов регенеративной медицины.
Исследование опубликовано в «Российском журнале биомеханики» №1 2024 г. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 23-71-01020.
Эпителий играет важную роль в организме человека. Вот несколько примеров, где эти ткани встречаются. Они образуют наружное покрытие организма (кожу), обеспечивают защиту от внешних воздействий, регулируют потерю влаги и участвуют в терморегуляции. Слизистые оболочки покрывают внутренние поверхности органов пищеварения, дыхательных и мочевыводящих путей, репродуктивной системы, защищают их от механических повреждений и инфекций. Эпителиальные ткани формируют структуру железистых органов, в том числе печени, поджелудочной железы и сальных желез, играя ключевую роль в процессах секреции различных веществ. Они образуют внутреннее покрытие сосудов, обеспечивают гладкую поверхность для свободного течения крови и участвуют в регуляции проницаемости сосудистой стенки. Также покрывают поверхность внутренних полостей органов, например, мозга и сердца, обеспечивают защиту и условия для нормального функционирования этих органов.
Изучение морфогенеза (процесс развития) эпителиальных тканей позволяет понять, как происходит их формирование и регенерация. Во время этого процесса клетки проходят через различные изменения и превращения, чтобы образовать правильную структуру и функцию ткани. Морфогенез включает в себя деление клеток, их перемещение и специализацию для выполнения определенных задач в организме. Всё это важно для понимания различных биологических процессов, таких как рост тканей, заживление ран и развитие заболеваний.
Ученые ПНИПУ разработали математическую модель морфогенеза эпителиальных тканей. Она позволяет описывать функциональную единицу – клетку, отслеживать её динамику в пространстве, а также подробно воспроизводить клеточные процессы, например, их деление, интеркаляцию (клеточная перестройка при возникновении локальных избыточных напряжений) и обмен химическими сигналами. Всё это, в свою очередь, открывает возможность моделировать развитие тканей, миграцию клеток, заживление ран и развитие злокачественных образований.
– Мы представляем многоуровневую математическую модель развития эпителиальной ткани. Особое внимание уделяем структурной единице многоклеточной ткани – клетке как элементу большой сложной системы. Наша модель отличается введённым 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, – поделился кандидат физико-математических наук, научный сотрудник кафедры прикладной физики ПНИПУ Иван Красняков.
Исследование ученых Пермского Политеха носит фундаментальный характер. Разработанная модель позволит предсказывать поведение тканей при различных условиях и воздействиях, способствует разработке стратегий лечения заболеваний и созданию новых методов регенеративной медицины. Также она может быть применена для оптимизации процессов тканевой инженерии, например, при создании искусственных органов. Понимание механизмов развития опухолей и других патологий приведет к разработке более эффективных методов диагностики и лечения рака и других заболеваний. Конечными пользователями могут стать исследователи в области биомедицины и фармацевтики, а также клинические специалисты, работающие в области медицинской диагностики и лечения.
Люди в СССР
tg - МЕМАРЫЧЧ
Мир клеточек [Научный фотоконкурс ]
В своей докторской работе я изучала внутренний мир клеток млекопитающих, поэтому у меня целое море картинок с этими маленькими вселенными.
Это главный объект моего исследования - эндоплазматический ретикулум (ЭР), такая огромная мембрана, которая пронизывает всю клетку.
Ниже картинка с ядрами (синие) и микротубулином (фиолетовый). На ней очень хорошо видны различные стадии митоза - деления клеток.
Ну и бонус, из моего научного детства - крыска с электродами.
От Рака нас защищает механизм старения клеток
Обычная клетка человека может делиться в среднем от 40 до 60 раз.
Делиться больше не дает механизм деления - при каждом делении теломеры немного уменьшаются, пока не достигают критического размера, при котором дальше уже не могут делиться. Это ограничение называют пределом Хейфлика, по имени открывшего это явление Леонарда Хейфлика. Он доказал, что существует естественные ограничения жизни клеток и связал это ограничение со старением организма.
Существует другой биологический феномен - клеточное старение. Это ситуация, при которой здоровые и молодые клетки прекращают делиться - хотя предела Хейфлика они еще не достигли. Это эволюционный механизм, который защищает организм от мутаций, накапливающихся в стареющих клетках, которые в свою очередь приводят к развитию рака.
Обычно, те виды, чьи клетки подвержены клеточному старению - живут недолго. Он наблюдается у многих грызунов - и именно поэтому, их продолжительность жизни очень мала.
Профессора Вера Горбунова и Андрей Селуанов в своей лаборатории в Университете Рочестера изучают подвид грызунов - голых землекопов. Интерес к голым землекопам у ученых вызывает их продолжительность жизни. Они живут в среднем по 30 лет, что в десять раз больше средней продолжительности жизни обычных мышей.
"У людей, как и у мышей, старение и рак соревнуются друг с другом," говорит Горбунова. "Чтобы предотвратить рак - надо остановить деление клеток. Но чтобы предотвратить старение, вы хотите чтобы клетки продолжали делиться."
Горбунова и Селуанов давно изучают рак и его связь со старением. Им удалось найти несколько механизмов, которые связаны с долгожительством и отсутствием рака у голых землекопов, но до полной ясности пока еще далеко.
В последнем исследовании они занимались механизмом клеточного старения у этих грызунов, и их ждало открытие. Как и у обычных мышей - механизм работает, и клетки прекращают делиться. Но, как оказалось, клетки голых землекопов, прекратив деление, запускают более активные процессы метаболизма - и тем самым, вероятно, борются со старением.
Источник: Rochester University