Фото: CI Photos/FOTODOM/Shutterstock
Основную опасность рака представляет метастазирование — процесс, при котором клетки отрываются от опухоли и образуют новые очаги в других органах, что является причиной до 90% смертей. 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 преодолели эту разобщенность, впервые объединив все параметры в единую математическую модель. Это позволяет оценить агрессивность пораженной ткани и ее потенциал к метастазированию.
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.
«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 Александр Никитюк, доцент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ.
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.