Фото: freepik
Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) исследуют факторы риска развития онкологических заболеваний и современные методы их раннего выявления. В статье рассматривается важность внимательного отношения к здоровью и объясняются механизмы возникновения различных видов рака, в том числе на основе моделирования поведения пораженных клеток.
Раковые, или злокачественные, клетки представляют собой мутировавшие элементы тканей организма, которые утратили свои первоначальные функции и приобрели способность к бесконтрольному и быстрому делению. Они потребляют те же питательные вещества, что и здоровые клетки, но их агрессивное размножение лишает нормальные ткани ресурсов и подавляет их рост. В результате формируется опухоль, которая разрушает пораженный орган. Например, при раке легких функциональная ткань замещается опухолевой массой, не способной к газообмену, что приводит к кислородному голоданию и серьезному ухудшению состояния человека.
Почему рак считается коварным заболеванием?
Сергей Солодников, научный консультант по фармакологии, кандидат медицинских наук НИЦ ПНИПУ «ХимБИ», поясняет это на примере опухоли мочевого пузыря (карциномы). Новообразование может развиваться по разным сценариям. Первый вариант — опухоль прорастает в кровеносные сосуды, вызывая кровотечение и создавая риск метастазирования, когда злокачественные клетки разносятся по организму. Второй сценарий — опухоль, не повреждая сосудов, достигает больших размеров и механически нарушает функцию органа (например, мочеиспускание). Третий путь — инвазивный рост в глубокие слои ткани, что также приводит к дисфункции. Второй и третий варианты особенно опасны, так как долгое время могут протекать бессимптомно, что затрудняет раннюю диагностику.
Происхождение злокачественных клеток
«Интересно, что в организме каждого человека постоянно возникают мутировавшие клетки, которые могут стать раковыми. Однако наша иммунная система обычно распознает их как чужеродные элементы (антигены) и уничтожает», — отмечает Сергей Солодников. Предрасположенность к таким мутациям может передаваться по наследству.
Сегодня наука активно изучает механизмы канцерогенеза. Известно, что превращению здоровых клеток в опухолевые способствуют особые вещества — канцерогены. Они содержатся в табачном дыме, алкоголе, многократно использованном для жарки масле, некоторых промышленных растворителях. Риск развития рака также возрастает при ослаблении иммунной системы, что может быть вызвано хроническим стрессом, недосыпом, вредными привычками, несбалансированным питанием и неблагоприятной экологической обстановкой (смог, промышленные выбросы, некачественная вода). Определенную роль играют и перенесенные заболевания, такие как иммунодефицитные состояния или хронические вирусные инфекции.
Методы выявления онкологических заболеваний
«Онкологические заболевания часто диагностируются на поздних стадиях, когда лечение становится крайне сложным. Поэтому первый шаг — это объективная оценка собственного состояния. Тревожными сигналами могут быть немотивированная усталость, длительный субфебрилитет (температура 37,0–37,2 °C), необъяснимая потеря или набор веса», — поясняет специалист ПНИПУ.
Следующий этап — лабораторные и инструментальные исследования. Общие анализы крови и мочи на ранних стадиях могут быть малоинформативны, но в комплексе с симптомами помогают составить клиническую картину. Более точную информацию дают анализы на онкомаркеры — специфические вещества, которые вырабатываются опухолью. Например, РЭА (раково-эмбриональный антиген) может указывать на опухоли желудочно-кишечного тракта, ПСА — на рак простаты, СА 15-3 — на рак молочной железы. Широко применяются и аппаратные методы: рентген, УЗИ, различные виды томографии (КТ, МРТ).
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Кому необходимо регулярное обследование?
Профилактические обследования важны для всех, но особенно для групп риска. В первую очередь это люди, чья работа связана с систематическим контактом с канцерогенами. Также особое внимание стоит уделить здоровью тем, кто имеет вредные привычки: например, курильщикам со стажем более пяти лет рекомендуется регулярно проверять легкие и мочевой пузырь. Повышенный риск имеют пациенты с хроническими заболеваниями (сахарный диабет, гастрит с пониженной кислотностью, хронический гепатит, панкреатит) и люди старше 60 лет. Для них график обследований должен составляться индивидуально совместно с лечащим врачом.
Опухоль как сложная биологическая система: взгляд биофизика
«Многие исследователи рассматривают злокачественные опухоли как своеобразные «паразитические» органы. В процессе эволюции они приобретают сложную структуру, функции, способность к росту и взаимодействию с организмом. Опухоли умеют маскироваться от иммунитета, создавать собственную сеть кровеносных сосудов (ангиогенез) и выделять сигнальные молекулы, влияющие на все тело. В наших исследованиях мы придерживаемся именно этой концепции», — поясняет старший преподаватель кафедры прикладной физики ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Иван Красняков.
Математическое моделирование рака в Пермском Политехе
Современные технологии, такие как использование флуоресцентных белков (например, GFP), позволяют визуализировать биологические процессы внутри клеток. Наблюдаемые данные — синтез белков, их распределение и деградация — можно описать с помощью математических формул, создавая точные модели биологических систем.
«Математическим моделированием в онкологии занимаются многие научные коллективы, в том числе команда Пермского Политеха, а также исследователи из Израиля и Москвы», — отмечает Иван Красняков.
Существует два основных подхода к созданию таких моделей. Первый основан на принципах непрерывной механики, второй — на дискретных методах, которые рассматривают опухоль как совокупность отдельных клеток (клеточные автоматы, вершинные модели и др.). Дискретный подход позволяет детально изучать индивидуальное поведение каждой клетки в системе, например, процесс эпителиально-мезенхимального перехода, когда раковые клетки теряют связь с соседями и начинают мигрировать.
Техническая реализация модели
Ученые ПНИПУ разработали модель развития карциномы — опухоли, происходящей из эпителиальной ткани (легкие, печень, молочная железа и др.). С помощью специальной программы создается виртуальный эпителиальный пласт из тысяч клеток, одна из которых является раковой. Математические алгоритмы рассчитывают форму, движение и расположение клеток, демонстрируя фундаментальные различия в поведении здоровых и злокачественных элементов.
Кроме того, группа разработала алгоритм для автоматической классификации типов рака на основе изображений. Теоретически его можно применять к реальным гистологическим срезам тканей. Это позволит значительно ускорить и стандартизировать процесс диагностики. «Наша цель — создать инструмент, который поможет врачам-онкологам быстрее и точнее ставить диагноз, что является одной из ключевых задач современной медицины», — подчеркивают биофизики ПНИПУ.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Как диагностируют рак врачи и биофизики — рассказали ученые Пермского Политеха.