Статья опубликована в журнале «Physical Review E».
Проблема распространения рака остается одной из самых острых в современной медицине. Главную опасность представляют не сами опухоли, а их способность к метастазированию — когда клетки отрываются и через кровоток или лимфу образуют новые очаги в других органах. Именно это и является причиной до 90% смертей.
Чтобы проникнуть в другие органы, раковым клеткам приходится буквально протискиваться сквозь узкие межклеточные пространства и стенки сосудов. Этот путь связан с огромной механической нагрузкой, возникающей от сопротивления окружающих тканей и кровотока. Тем не менее, давление в организме испытывают все клетки, но реагируют они по-разному.
Ключевая разница в том, что здоровая клетка ведет себя преимущественно упруго: ее сжали, и она старается вернуть свою форму. Ей сложно деформироваться надолго — это ее естественное свойство.
Опасная 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. Этот хаос внутри 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.
Проблема в том, что заранее оценить способность опухоли к метастазированию практически невозможно. Современные методы диагностики — рентген, КТ, МРТ и стандартная биопсия (забор образца ткани для исследования) — часто обнаруживают болезнь на поздних стадиях или фиксируют метастазы уже после их появления. Традиционный гистологический анализ (изучение тонкого среза ткани под оптическим прибором) опухолевой ткани под микроскопом может сказать о ее типе и стадии, но не способен точно предсказать, насколько она агрессивна, склонна к рецидиву и готова ли к распространению по организму. Для этого нужен принципиально другой показатель — активности клетки, ее готовности к миграции.
На него влияют три ключевых процесса — механическая деформация клетки, перестройка ее цитоскелета и энергозатраты — все они ранее изучались разрозненно. Ученые Пермского Политеха преодолели эту разобщенность, создав математическую модель, которая впервые объединила все параметры в единый коэффициент и позволила получить перспективную совокупную меру агрессивности клетки.
С помощью предложенной разработки возможно анализировать, как клетка деформируется под нагрузкой, и рассчитывать, сколько энергии она при этом безвозвратно теряет.
Проверив модель на экспериментальных данных по раковым клеткам кожи, исследователи сделали фундаментальное открытие.
— рассказал Александр Никитюк, доцент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ.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,
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 также 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.
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.
Не менее важно и то, что модель так же точно сможет выявить опухоли с низким метастатическим потенциалом, у которых этого опасного «почерка» нет. Такой результат позволит избежать избыточной, токсичной терапии там, где в ней нет необходимости. Таким образом, открытие ведет к персонализированной медицине: своевременному подавлению самой опасной угрозы и защите пациентов от ненужного лечения.
Опубликованный материал предоставлен Пермским политехом.