Как это возможно?
Каждый день в организме человека заменяются миллиарды клеток, и при этом ткани остаются идеально организованными. Как такое возможно?
Команда исследователей из Центра рака имени Хелен Ф. Грэм при ChristianaCare и Университета Делавэра считает, что нашла ответ.
Исследование
В статье, опубликованной в журнале Biology of the Cell, они показывают, что всего пять основных правил могут объяснить, как организм поддерживает сложную структуру тканей, например, в толстой кишке, даже когда клетки постоянно умирают и заменяются.
Это исследование — результат более чем 15 лет сотрудничества между математиками и биологами-онкологами, направленного на раскрытие правил, управляющих структурой тканей и поведением клеток.
«Это может быть биологической версией чертежа», — сказал Брюс Боман, доктор медицинских наук, доктор философии, старший научный сотрудник Центра трансляционных исследований рака при ChristianaCare и преподаватель кафедр биологических наук и математических наук в Университете Делавэра.
«Как у нас есть генетический код, объясняющий работу наших генов, у нас может быть и „тканевой код“, объясняющий, как наши тела остаются настолько точно организованными с течением времени», — добавил он.
Математическое моделирование
Исследователи использовали математическое моделирование — по сути, создание компьютерной симуляции поведения клеток — чтобы увидеть, может ли небольшое количество правил объяснить высокоорганизованную структуру слизистой оболочки толстой кишки. Это идеальное место для изучения: клетки в толстой кишке обновляются каждые несколько дней, но общая форма и структура остаются удивительно стабильными.
После проведения многочисленных симуляций и уточнения своих моделей команда определила пять основных биологических правил, которые, по-видимому, регулируют структуру и поведение клеток:
«Эти правила работают вместе, как хореография», — сказал Гильберто Шлейнигер, доктор философии, профессор кафедры математических наук в Университете Делавэра. «Они контролируют, куда идут клетки, когда они делятся и как долго они остаются — и именно это заставляет ткани выглядеть и работать так, как они должны».
Исследователи полагают, что эти правила могут применяться не только к толстой кишке, но и ко многим различным тканям по всему телу — коже, печени, мозгу и другим. Если это так, то этот «тканевой код» может помочь учёным лучше понять, как ткани заживают после травм, как возникают врождённые дефекты и как развиваются такие заболевания, как рак, когда этот код нарушается.
Важность исследования
Эта работа также имеет важное значение для Human Cell Atlas — глобального научного сотрудничества, направленного на составление карты каждого типа клеток в организме человека. Хотя Атлас нацелен на каталогизацию того, что каждая клетка представляет собой и что она делает в данный момент, это новое исследование предлагает динамическую основу для понимания того, как эти клетки остаются организованными с течением времени.
Определив простые, универсальные правила, регулирующие поведение клеток и структуру тканей, результаты могут помочь в будущих исследованиях не только для описания клеток, но и для прогнозирования их поведения в состоянии здоровья и болезни.
Сотрудничество между биологией и математикой
Такой вид сотрудничества между биологией и математикой отражает более широкий сдвиг в подходах учёных к сложным проблемам. Он также соответствует национальным приоритетам: инициатива Национального научного фонда «Правила жизни» призывает исследователей раскрыть фундаментальные принципы, управляющие живыми системами. Это исследование — важный шаг в этом направлении.
Дальнейшие шаги
Следующие шаги для команды включают экспериментальную проверку предсказаний модели, её уточнение с помощью дополнительных данных и изучение её значимости для биологии рака — особенно того, как нарушения тканевого кода могут привести к росту опухоли или метастазированию.
«Это только начало», — сказал Шлейнигер. «Как только вы сможете определить правила, вы сможете начать задавать совершенно новые вопросы и, возможно, даже научиться исправлять то, что пошло не так».