Динамика роста «солидной» опухоли с высоким параметром скорости деления
Онкологические заболевания – это одна из ведущих причин смертности во всем мире. По данным ВОЗ, примерно треть смертей от рака связаны с воздействием негативных факторов среды обитания и образом жизни людей. Загрязнение окружающей среды токсичными веществами, тяжелыми металлами и прочими химическими соединениями значительно повышает риск возникновения раковых опухолей. Поэтому при онкологических исследованиях необходимо учитывать воздействие таких условий для создания эффективных стратегий по профилактике и лечению рака. Ученые Пермского Политеха предложили методологический подход для качественного прогноза влияния химических факторов среды обитания на процессы развития новообразований. Разработанная математическая модель детально описывает возникновения и изменения раковых клеток с учетом сложного взаимодействия иммунной, эндокринной и кровеносной систем человека.
Статья с результатами опубликована в журнале «Анализ риска здоровью». Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ по фундаментальным научным исследованиям.
Неблагоприятные факторы среды обитания и образа жизни существенно влияют на появление раковых опухолей как напрямую, так и через снижение функциональности защитных механизмов организма. В качестве примера можно рассмотреть алюминий, который попадает в окружающую среду в ходе технологических процессов и утилизации отходов. Его накопление в организме человека приводит к нарушениям функций костной и нервной тканей, репродуктивной, кровеносной и иммунной систем.
Изучение взаимосвязи всех этих механизмов помогает выявить факторы, которые вызывают изменения в клетках и становятся причиной появления новообразований. Иммунитет в этом играет решающую роль. На протяжении жизни человека в его организме возникают аномальные клетки, которые могут формировать онкологические опухоли. Однако в большинстве случаев их рост подавляется благодаря эффективному функционированию иммунной системы.
С помощью лабораторных исследований трудно отследить взаимосвязь факторов, влияющих на процесс онкогенеза, тогда как математическое моделирование позволяет установить основные закономерности возникновения аномальных клеток.
Ученые Пермского Политеха разработали подход на основе моделирования процессов развития раковых опухолей, учитывающий работу кровеносной, эндокринной и иммунной систем при воздействии химических факторов. Метод позволяет осуществлять математическое прогнозирование того, как внешнее воздействие (например, алюминия) сказывается на организме человека и как это влияет на механизмы образования онкологических заболеваний.
Математическая модель представлена в виде системы, состоящей из 19 уравнений, которые описывают динамику изменения концентрации аномальных клеток, включая процессы их образования, уничтожения и нейтрализации антителами. Также модель учитывает поступление питательных веществ, влияющих на рост опухоли, и механизм формирования новых кровеносных сосудов под действием выделяемых раковыми клетками ферментов.
Эффективность модели разработчики проверили в ходе численного эксперимента на тестовом образце почечной ткани, так как почки – это один из органов накопления алюминия, и основной – для выведения его из организма. Металл повреждает не только структуры клеток, но и сами клетки, вызывая некроз эпителия почечных канальцев. Снижение функциональности почек ведет к повышению концентраций алюминия в организме и усилению его негативного влияния на иммунную систему.
– На основе виртуального образца почечной ткани с помощью нашей модели смоделирована ситуация, демонстрирующая развитие опухоли после воздействия разной концентрацией алюминия. Для этого были заданы случайные параметры, которые характеризуют процессы образования аномальных клеток: скорость их деления, время жизни, максимальную плотность образуемой ткани и потребление питательных веществ. Модель позволила отследить динамику роста и развития раковой опухоли в зависимости от различных уровней воздействия алюминия, – объясняет Владимир Чигвинцев, научный сотрудник кафедры математического моделирования систем и процессов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Развитие онкологических заболеваний в организме во многом определяется случайным процессом возникновения и мутации раковых клеток. Исследование ученых показало, что заболевание может протекать по различным сценариям в зависимости от длительности и интенсивности воздействия алюминия, а также от реакции защитных систем организма. Так, моделирование на примере почечной ткани показало, что суточная доза металла 0,4 (мг/кг веса человека) приводит к минимальному повреждению иммунной системы, которая в итоге справится с уничтожением раковых клеток без явных симптомов заболевания. Однако при значительном поражении иммунитета, вызванного дозой 40 (мг/кг веса человека), происходит неограниченное деление раковых клеток, приводящее к росту опухоли до критических размеров и появлению метастазов.
Ученые отмечают, что результаты расчетов показывают качественное соответствие динамики роста опухоли, предсказанной моделью, с реальными клиническими данными пациентов. Использование разработанной модели позволяет анализировать множество сценариев и определить, какие внешние условия и как именно влияют на развитие опухоли. В дальнейшем полученные результаты могут использоваться для разработки новых стратегий по предотвращению и лечению рака.
– Наша модель представляет собой упрощенное описание сложных взаимодействий многочисленных регуляторных систем (иммунной, эндокринной и кровеносной), происходящих при формировании опухоли и процессах ее развития. Она позволяет оценить возможный исход возникновения онкологии при различных внешних техногенных условиях, влияющих на организм человека, – отмечает Владимир Чигвинцев.
Предложенный подход ученых ПНИПУ прогнозирует влияние химических факторов на характер онкологического заболевания, также способствует разработке эффективных мер по их предотвращению и улучшению качества жизни населения, проживающего на территориях с неблагоприятным состоянием среды обитания.
