Пермские ученые разработали модель, позволяющую определить, насколько опасна раковая опухоль
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) создали математическую модель, прогнозирующую метастазирование раковой опухоли. Метод позволяет оценить агрессивность пораженной ткани и потенциал к распространению метастазов в других органах.
Основную опасность при онкологических заболеваниях представляет метастазирование — процесс, при котором раковые клетки отделяются от основной опухоли и образуют новые очаги в других органах. Именно метастазирование является причиной до 90 % смертей от рака. Предсказать этот процесс сложно. Современные методы диагностики (КТ, МРТ, биопсия) часто обнаруживают болезнь на поздних стадиях, а традиционный анализ ткани не может точно оценить агрессивность и готовность клеток к распространению.
На способность опухоли к образованию метастазов влияют три ключевых, но ранее разрозненно изучаемых фактора: деформация клетки, перестройка ее цитоскелета и энергозатраты. Ученые Пермского Политеха впервые объединив все эти параметры в единую математическую модель, позволяющую оценить агрессивность пораженной ткани и ее потенциал к метастазированию.
Авторы отмечают, что ключевая разница между здоровыми и раковыми клетками в том, что здоровая клетка ведет себя преимущественно упруго: ее сжали, и она старается вернуть свою форму. Раковая клетка действует иначе, она более мягкая в сравнении со здоровой. Ее главная цель — не сохранить форму, а подстроиться под внешнюю нагрузку. Для этого она совершает активную внутреннюю работу: ее цитоскелет (каркас) не просто сжимается, а разрывает старые связи и создает новые. Это требует огромных энергозатрат, но именно он и превращает клетку в податливую, способную к миграции. Тем самым ценой большого расхода энергии раковая клетка размягчается. Чем эффективнее и стабильнее она это делает, тем выше ее шанс оторваться от опухоли и дать метастаз.
Проверив модель на экспериментальных данных по раковым клеткам кожи, исследователи сделали фундаментальное открытие.
«Оказалось, что у метастатических клеток есть важная особенность: какой бы величины ни была внешняя нагрузка, они всегда тратят на перестройку одно и то же количество энергии. Их внутренняя «работа» по размягчению не становится интенсивнее от сильного воздействия и не слабеет при слабом — она всегда стабильно и при этом высока», — рассказал автор статьи, доцент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ Александр Никитюк.
Таким образом, исследователи обнаружили четкий «энергетический почерк» метастатических клеток. Их система работает как точный механизм, который гарантированно и предсказуемо расходует максимум энергии на деформацию. Эта стабильная и чрезмерная трата ресурсов потенциально и есть их скрытая метка агрессивности.
Благодаря этому открытию ученые ввели новый измеримый показатель — «частота диссипативных процессов». По сути, это числовая оценка того, насколько энергозатратно и стабильно раковая клетка умеет размягчаться вследствие перестройки цитоскелета. Повышенное и устойчивое значение этого параметра — прямой сигнал о высоком метастатическом потенциале.
Ученые отмечают, что в будущем на основе этой модели может быть создан диагностический тест. Врачи смогут взять образец опухоли, «протестировать» раковые клетки на податливость под давлением и с помощью программы моментально получить ключевой показатель — их «энергозатратный почерк». Если он окажется стабильно высоким, это будет четкий сигнал, что опухоль, даже будучи маленькой, уже запрограммирована на распространение. Такой анализ позволит онкологам сразу выделять пациентов с самым высоким риском метастазов и назначать им более интенсивное и целенаправленное лечение на самой ранней стадии, не дожидаясь, когда вторичные очаги появятся на снимках.