Заживление ран и рост опухолей подчиняются одному общему принципу — движению клеток эпителия. Чтобы освоить управление этим механизмом, ученые прибегают к разнообразным подходам. Биологи изучают клеточные культуры in vitro, тогда как врачи анализируют клинические образцы новообразований у больных. Кроме того, существуют цифровые симуляции, но у них есть существенные недостатки. Некоторые модели рассматривают исключительно механику клеток, упуская биохимические сигналы, другие же чрезмерно упрощают расчеты и неспособны адекватно отражать морфологические изменения клеток при миграции или делении.
Специалисты Пермского Политеха разработали оригинальную компьютерную модель, впервые объединившую механические и химические характеристики отдельных клеток. Она успешно имитирует реальные процессы поведения живой ткани при травмах, ожогах и злокачественных заболеваниях. Еще она может спрогнозировать дальнейшее развитие патологии, говорится на сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Главное преимущество представленной разработки заключается в объединении двух ключевых принципов моделирования. Во-первых, использован агентный подход, позволяющий рассматривать каждую отдельную клетку как автономный элемент со своими индивидуальными характеристиками и поведением. Во-вторых, учтено взаимодействие химического и физического факторов, называемое хемомеханическим взаимодействием. Оно отражает взаимное влияние химических сигналов организма на физическое состояние структурных элементов и наоборот.
Наглядно это можно представить следующим образом: химический стимул (например, ощущение запаха пищи) запускает движение (человек идет на кухню); аналогично, механическое воздействие (жевание) активизирует биохимическую реакцию (выделение слюны). Подобным образом ведут себя и клетки: биохимические сигналы вызывают перемещение клеток, а механическое давление влияет на внутренние клеточные процессы.
Созданные виртуальные биологические элементы демонстрируют поведение, сходное с живыми клетками: они способны двигаться, делиться, изменять форму, вступать во взаимодействие с соседними элементами, ощущать сжатие и растяжение, даже сталкиваться друг с другом. Такое коллективное поведение напоминает синхронизированное передвижение стаи птиц, где каждое существо мгновенно адаптируется к движениям окружающих, сохраняя дистанцию и положение относительно общего потока.
Проверяя работоспособность цифровой модели, ученые смоделировали реальную ситуацию травмы, при которой мозг инициирует сигнальный механизм, уведомляющий организм о повреждении. Результаты оказались впечатляющими: виртуальные клетки проявили согласованное движение к источнику сигнала, идеально копируя природный процесс регенерации тканей. Эти наблюдения подтвердили, что новая модель достоверно воспроизводит механизмы восстановления, характерные для реальных живых организмов.
По словам ученых, разработанная компьютерная платформа отличается универсальностью и может использоваться в широком диапазоне медицинских приложений. Ее потенциал охватывает область регенеративной медицины, начиная от прогнозирования процессов заживления ран и заканчивая борьбой с онкологическими заболеваниями.
Ранее физики раскрыли удивительные квантовые возможности сверхтвердого тела.
