21 декабря 2021, 1:00

Методы расчета географов помогли в изучении миграции стволовых клеток

Математическое моделирование
Цитология
КЛСМ

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. 

Методы расчета географов помогли в изучении миграции стволовых клеток
Алгоритм оценки структур F-актина при помощи метода измерения фрактальной размерности Минковского

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.

Источник:  Пресс-служба РНФ

Публикации из новости

Читайте также

Математическая модель ускорит проектирование теплозащиты космических аппаратов
Российские ученые разработали математическую модель, описывающую поведение разреженных газов и плазмы вблизи поверхности твердого тела. Эта модель поможет при проектировании космических аппаратов и микроустройств, используемых, например, в электронике.
Инженерия
Космос
Математическое моделирование
10 сентября 2023
Учёные разработали модель растворителей для магний-ионных аккумуляторов
Физики из МФТИ и ОИВТ РАН показали, как корректно рассчитывать эффективность аккумуляторов из новых материалов методом компьютерного моделирования. Они предложили теоретическую модель взаимодействия проводящих ионов с окружающим растворителем и электродом. Методику можно использовать для поиска оптимальных растворителей и точного расчета характеристик аккумуляторов.
Квантовая химия
Математическое моделирование
Электрохимия
31 августа 2023
Матмодель сделает авто- и авиатренажеры точнее и быстрее
Адаптивная цифровая система управления повысит реалистичность симуляции и поможет уберечь устройства от поломок из-за перегрузок
Математическое моделирование
Машиноведение
Управление
9 августа 2023
Новая модель описала процесс создания дугового разряда в аргоне и гелии
Она также подробно описывает процесс «рождения» в газовой плазме частиц углерода, из которых в дальнейшем собираются применяемые в медицине и электронике наноматериалы
Математическое моделирование
Нанотехнологии
Углеродные материалы
25 июля 2023
С помощью ИИ ученые смогли описывать солнечную активность в реальном времени
Это важно для прогнозирования и ее негативных эффектов на линии электропередач, космическую технику и авиацию
Астрофизика
Искусственный интеллект
Математическое моделирование
Новые методики
16 июля 2023
Новая матмодель позволит повысить эффективность бурения скважин
Система способна представить удобную выжимку самой важной информации из разрозненных геофизических данных. Так можно не только охарактеризовать новую скважину, но и скорректировать направление ее бурения
Геофизика
Инженерная геология
Математическое моделирование
Машинное обучение
12 июля 2023