Способность человеческого организма к регенерации — один из самых сложных биологических процессов. В норме клетки координированно восстанавливают поврежденные ткани, однако при диабете, ожогах или онкологических заболеваниях этот механизм дает сбой. Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм, который воспроизводит поведение живых тканей при заживлении ран, ожогах и онкологических процессах и позволяет прогнозировать их дальнейшее развитие. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Заживление ран и рост опухолей управляются единым фундаментальным принципом — движением эпителиальных клеток. Понять этот процесс в живом организме сложно: лабораторные эксперименты не отражают всей сложности биологических систем, врачи наблюдают только конечные стадии болезни, а существующие компьютерные модели учитывают лишь часть параметров.
Новая разработка пермских ученых впервые объединила в себе механические и химические свойства каждой отдельной клетки. Виртуальные биологические элементы в модели ведут себя как живые — двигаются, делятся, меняют форму, взаимодействуют с соседями, реагируют на давление и растяжение. Это позволяет проследить, как ткани реагируют на повреждения и как их поведение меняется при патологиях.
«Наша внутренняя среда неоднородна: есть жесткие границы — кости, импланты, и упругие — мышцы или биоматериалы. Исследования показали, что клетки по-разному реагируют на тип препятствий. На твердых поверхностях они формируют плотные скопления и зоны напряжения, а упругие структуры позволяют равномерно распределять нагрузку и формировать более здоровые ткани», — объяснил Иван Красняков, доцент кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Численное моделирование показало, что между хаотичностью и организованностью клеточного движения существует «золотая середина»: при оптимальной подвижности клетки сохраняют баланс между скоростью и направленностью, обеспечивая правильное восстановление тканей. Если деление нарушается, в некоторых участках возникает повышенное давление, разрушающее структуру тканей.
«Когда клетки перестают делиться, нагрузка распределяется неравномерно, как в офисе, где сотрудников меньше, а работы столько же. В результате при диабете кожа теряет способность закрывать раны, а в легких формируются рубцы вместо здоровой ткани», — отметил младший научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» Максим Бузмаков.
Разработка открывает широкие возможности для восстановительной и персонализированной медицины. Она поможет врачам подбирать индивидуальное лечение, прогнозировать исход заболеваний и даже тестировать эффективность новых лекарственных средств в цифровой среде — еще до их применения на пациентах.
Ранее в Перми разработали новый метод лечения переломов.