Цели и задачи проекта

В настоящее время накоплено множество данных, указывающих на участие механических факторов в процессе биологического формообразования. Эти данные относятся как к нормальному и патологическому развитию живых организмов, так и к экспериментальным клеточным системам и задачам биоинженерии. Процессы формообразования в тканях осуществляются как результат механического взаимодействия и перемещения множества клеток, их образующих. Для понимания закономерностей таких процессов необходимо математическое моделирование на тканевом уровне, базирующееся на методах механики сплошной среды, в частности механики многофазных сред. К примеру, необходимо понять, как на тканевом уровне в результате взаимодействия клеток между собой и с внеклеточным матриксом осуществляется их сортировка (пространственное разделение клеток разных типов), а также управление процессом формирования полых органов, которые в ходе развития начинают выполнять различные физиологические функции.

Процесс исследования

Предполагается последовательное применение к клеточным системам общих методов механики многофазных сплошных сред на основе разработанного в нашем коллективе подхода, основанного на явном введении параметров, отвечающих за механическую активность клеток, в частности, активного взаимодействия клеток между собой и клеток с внеклеточным материалом.

Клеточные системы макроскопически образуют сплошные среды, проявляющие при разных испытаниях свойства деформируемого твердого тела (упругость, вязкоупругость разного типа) или неньютоновской жидкости. Вместе с тем, рассматриваемые системы демонстрируют ряд важных отличительных особенностей: механозависимое формирование и разрушение контактов между клетками, которые имеют в том числе механическую функцию и обеспечивают смену соседей; установление контакта не только между непосредственно соседними, но и более удаленными клетками за счет развития разного рода выростов; механическое, в том числе активное, взаимодействие с присутствующим в среде пассивным матриксом; кинетические процессы (деление и перестройка самих клеток, генерация матрикса). Макроскопическое описание таких сред невозможно без адекватного учета активных механических факторов, в частности, активных сил, развиваемых на клеточном уровне. Попытки моделировать такие системы посредством формального усложнения континуальных или конечноэлементных моделей небиологических сред не дают возможности корректно воспроизвести их активное поведение, требуя введения не допускающих физически ясного понимания характеристик и ограничений. С другой стороны, переход на чисто клеточный уровень делает анализ поведения систем труднообозримым, требуя фактического введения множества не известных заранее параметров и исключая аналитические решения и качественный анализ моделей.

В предлагаемом проекте предполагается последовательное применение к живым системам общих методов механики многофазных сплошных сред с учетом конкретных физических механизмов взаимодействия между клетками и между клетками и внеклеточными компонентами. Постановки задач, связанные с сортировкой клеток, приводят к задачам с подвижными границами. При их решении предполагается использование различных численных методов.

Результаты проекта

Движение клеток друг относительно друга является фундаментальным процессом, который лежит в основе самых разных биологических явлений. Физические и биологические механизмы на клеточном и тканевом масштабах, управляющие движением клеток, до сих пор являются предметом обсуждений.

Изучение эволюции простых клеточных систем таких, как смеси клеток разных типов, показало, что активные силовые межклеточные взаимодействия приводят к пространственному разделению клеток разных типов. Экспериментальные данные свидетельствуют о решающей роли параметров, которые характеризуют различные механизмы развития активных напряжений, а также межклеточную адгезию и клеточную подвижность.

В рамках проекта к настоящему времени исследовано влияния различных параметров, характеризующих развитие активных напряжений и деформацию среды, на процесс сортировки двух типов клеток, образующих в начальный момент времени агрегат сферической формы. Это позволяет оценить роль различных физических механизмов, несомненно вовлеченных в процесс эволюции клеточных систем.