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.
