Методы расчета географов помогли в изучении миграции стволовых клеток
Российские ученые усовершенствовали математический метод, который позволяет описывать геометрические параметры сложных природных объектов, например береговых линий, и применили его для оценки того, как изменяется цитоскелет стволовых клеток во время их движения. Подход станет мощным инструментом для описания миграции, лежащей в основе регенерации тканей. Он поможет как в решении чисто научных задач, так и в разработке «ускоряющих» клетки препаратов, востребованных в регенеративной медицине. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале PloS One.
Клеточная терапия — многообещающий метод, который позволяет лечить тяжелые травмы и разнообразные болезни, среди которых рак, диабет, рассеянный склероз и многие другие. Он заключается в трансплантации стволовых клеток в организм человека, где они смогут заменить утраченные или дефектные ткани. Однако лишь небольшая их часть достигает цели. Проблема кроется в том числе в недостаточной подвижности: например, при пересадке в большую рану кожи клетки не способны быстро и эффективно распространиться, а потому не обеспечивают оптимальную регенерацию. Ученые и медики пытаются повысить подвижность клеток при помощи особых препаратов, способствующих перестройке цитоскелета, и таким образом «ускорить» заживление. В процессе разработки этих веществ необходимо отслеживать, насколько эффективно происходят изменения свойств клеточного скелета, и уметь правильно их описать.
«Мы поняли, что для более точной оценки реорганизации клеточного цитоскелета по микроскопическим снимкам нам необходим количественный метод. Одним из таких подходов, который и ранее единично использовался клеточными биологами, является метод измерения фрактальной размерности Минковского. Мы модифицировали и улучшили его, а затем успешно применили для оценки структур F-актина — одного из основных белков, составляющих цитоскелет», — рассказывает Алла Ревитцер, младший научный сотрудник группы ионных механизмов клеточной сигнализации ИНЦ РАН.
Исследователи Института цитологии РАН (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого (Санкт-Петербург) рассмотрели изображения меченого специфическим красителем актинового цитоскелета стволовых клеток как фракталы. Так называют сложные геометрические узоры, обладающие самоподобием — например, линия делится на две, а каждая из них еще на две и так далее. Однако цитоскелет клеток, равно как и многие другие природные объекты, обладает сложной и нерегулярной формой, плохо поддающейся численной оценке. Авторы предложили использовать метод измерения фрактальной размерности Минковского, который успешно показывает себя в ситуациях, когда нужно оценить, какое пространство занимает тот или иной объект, например при картировании береговой линии. Сначала изображение накладывается на сетку, подсчитывается количество занятых им ячеек, потом сетка становится мельче, снова считаются заполненные ячейки и так до тех пор, пока не будет достигнута желаемая точность. Затем проводят математические расчеты, которые дают значение размерности — физической величины, описывающей геометрические параметры объекта. Исследователи разработали доступную всем программу, которая считает фрактальную размерность Минковского для актинового цитоскелета. При этом она автоматически подбирает параметры исходя из того, как расположено ядро клетки (его также метят красителем) и каков его размер.
«Наш метод позволяет получить информацию об изменении структуры цитоскелета под действием различных факторов. При этом не требуется большого количества данных, на подготовку и обработку которых уходит много времени. Поэтому мы надеемся, что наша разработка будет интересна для клеточных биологов, например, для тех, которые изучают цитоскелет стволовых клеток, применяемых в регенеративной медицине», — добавляет Алла Ревитцер.
