Теория фракталов помогла в изучении клеточного скелета стволовых клеток

@Novosti Sankt-Peterburga

28 декабря 2021 года, 09:12

Теория фракталов помогла в изучении клеточного скелета стволовых клеток

—>

Российские ученые усовершенствовали математический метод, который позволяет описывать геометрические параметры сложных природных объектов, например узора сосудов, — и применили его для оценки изменения цитоскелета стволовых клеток во время воздействия биологически активных веществ. Подход станет мощным инструментом для описания клеточных структур, являющихся ключевыми игроками в процессе регенерации тканей. Он поможет как в решении фундаментальных научных задач, так и в прикладных исследованиях «ускоряющих» движение клеток препаратов, востребованных в регенеративной медицине.Результаты исследования, поддержанногогрантомРоссийского научного фонда (РНФ),опубликованыв журнале PloSOne.

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 способствовать регенерации утраченных или дефектных тканей. Однако лишь небольшая их часть достигает цели и остается в ней. Проблема заключается, в том числе, в недостаточной подвижности: при пересадке стволовых клеток, они не способны достигнуть поврежденного участка ткани или органа и остаться в нем, и поэтому не обеспечивают оптимальную регенерацию. Один из подходов улучшения регенеративных свойств клеток – это повышение их подвижности при помощи особых веществ, способствующих перестройке цитоскелета, и таким образом, «ускоряющих» передвижение клеток к поврежденному участку. В процессе выявления этих веществ необходимо отслеживать, насколько изменяется клеточный скелет, и желательно количественно описывать эти изменения.

«Мы поняли, что для более точной оценки реорганизации цитоскелета по микрофотографиям нам необходим количественный метод. Одним из таких подходов, который и ранее единично использовался клеточными биологами, является метод измерения фрактальной размерности Минковского. Мы модифицировали его, а затем успешно применили для оценки структур фибриллярного актина — одной из основных структур, составляющих цитоскелет»,— рассказываетмладший научный сотрудник группы ионных механизмов клеточной сигнализации ИНЦ РАН Алла Ревитцер.

Исследователи Института цитологии РАН и Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого рассмотрели изображения меченого специфическим красителем актинового цитоскелета стволовых клеток как фрактальные структуры. Так называют сложные геометрические фигуры, обладающие свойством самоподобия в широком диапазоне масштабов. 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 на изображении. Процесс вычисления заключается в том, что на изображение накладывается сетка с квадратными ячейками, подсчитывается количество занятых им ячеек, потом сетка становится мельче, снова считаются заполненные ячейки и так несколько раз. Далее в логарифмических координатах строят зависимость числа занятых ячеек от размера сетки и на основании этой зависимости вычисляют фрактальную размерность Минковского. Исследователи разработали доступную всем программу, которая рассчитывает фрактальную размерность Минковского для изображения актинового цитоскелета. При этом она автоматически подбирает параметры позиции и размера ячеек исходя из расположения и размера отмеченного красителем ядра клетки.

«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, которые изучают цитоскелет стволовых клеток, применяемых в регенеративной медицине»,— добавляетАлла Ревитцер.

—>