КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-00128

НазваниеСравнительная топология нормального и ракового эпителия

РуководительРошаль Дарья Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словадиагностика рака, клеточные монослои, клеточная топология, разбиение Вороного, эпителиальные клетки, упорядочение в биологических системах, динамика клеток, самоорганизация, двумерные системы, митоз, апоптоз, топология, топологические дефекты.

Код ГРНТИ29.19.22

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Влияние геометрии и топологии эпителия на механические свойства тканей и ключевые биологические процессы, такие как рост, митоз и апоптоз клеток, в настоящее время изучено слабо. Поэтому предлагаемый проект направлен на исследование тех аспектов морфогенеза, которые явно не связаны с генетическим контролем, а обусловлены сложными взаимодействиями между геометрическими и биомеханическими свойствами клеточной структуры тканей. Раковые (HeLa) и здоровые (HCerEpiC) эпителиальные монослои клеток шейки матки человека являются типичными представителями гиперпролиферативных (очень быстро делящихся) и пролиферативных монослоев, соответственно. В ходе реализации проекта мы собираемся изучать не только статическую топологию эпителиальных монослоев с помощью новых для этих объектов методов анализа связности графа, вершинами которого являются эпителиальные клетки, и анализа протяженных топологических дефектов, но и рассмотрим динамику клеток. Мы впервые исследуем влияние геометрии и топологии монослоя на процессы роста, деления и апоптоза клеток в пролиферативных и гиперпролиферативных эпителиях. Для изучения данных вопросов будет создана компьютерная программа, анализирующая микрофотографии эпителия. Она позволит находить положение ядер клеток, границ клеток, находить распределение клеток по числу их соседей, а также по величине их площади. Компьютерная модель динамики клеток, которая будет разработана, позволит нам провести моделирование структуры и динамики, здоровых и раковых эпителиальных монослоев. Мы исследуем взаимосвязь скорости митоза и апоптоза клеток в монослое со степенью дефектности монослоя и собираемся показать, что увеличенная топологическая дефектность ракового монослоя по сравнению со здоровым эпителием может быть объяснена не успевающими релаксировать механическими напряжениями в быстро меняющемся эпителии. Предлагаемое исследование, находящееся на стыке физики и клеточной биологии, может дать новую информацию о поведении эпителиальных клеток в нормальных и патологических условиях, которая важна для понимания механизмов нарушения морфогенеза и старения, в диагностике заболеваний. В ходе выполнения проекта будут опубликованы две статьи в журналах из 1 квартиля Scopus и WoS.

Ожидаемые результаты
В настоящее время все острее становится проблема диагностики раковых заболеваний. Также всё очевиднее становится необходимость автоматизации и компьютеризации исследования образцов тканей на наличие раковых клеток. Данный проект посвящен моделированию топологии эпителиальных монослоев, а также поиску различий в упорядочении раковых и здоровых клеток. Основные задачи работы: 1. на основе методов искусственного интеллекта разработать программу, анализирующую структуру эпителиальных монослоев; 2. сравнить топологию пролиферативных и гиперпролиферативных монослоев; 3. создать биофизическую модель, описывающую структуры раковых и здоровых монослоев клеток. Программа, созданная в рамках первой задачи, должна уметь с хорошей точностью находить положения ядер клеток, границ клеток, площади клеток, анализировать форму клеток и число ближайших соседей у клетки как у здорового эпителия (HCerEpiC), так и у опухолевого (HeLa). С использованием данной программы должна быть выполнена вторая задача: анализ более 100 микрофотографий HeLa и HCerEpiC, предоставленных нашими французскими коллегами (научная группа под руководством проф. Багдигияна из университета Монпелье, Франция). Полученные данные о строении и топологии ракового и здорового эпителия и программные наработки могут быть использованы для диагностики раковых заболеваний. В рамках третьей задачи будет проведено моделирование строения и динамики пролиферативного и гиперпролиферативного эпителия. Модель должна описать как геометрические параметры клеток, так и топологическую дефектность этих монослоев. Она должна корректно описывать динамику монослоя. В частности, будет рассмотрена взаимосвязь между образованием топологических дефектов в эпителии и процессами митоза и апоптоза. Следует отметить, что эпителиальные монослои являются одним из лучших объектов для исследования апоптоза. Как известно, апоптоз играет важнейшую роль в эмбриогенезе и онтогенезе, в ходе которых в организме сменяются ткани и атрофируются определенные органы. Например, вследствие апоптоза исчезают перепонки между пальцами конечностей некоторых млекопитающих или отмирает хвост при метаморфозе лягушки. Помимо этого, нельзя не упомянуть о том, что именно механизм апоптоза нарушается в больных раком тканях и поэтому исследование здоровых и раковых эпителиальных монослоев имеет большое значение. Также отметим, что исследуемая в рамках третьей задачи коллективная подвижность клеток имеет ключевое значение для многих биологических процессов, включая морфогенез, заживление ран и инвазии рака. Поскольку многие виды рака имеют эпителиальное происхождение, результаты работы могут оказаться критически важными для изучения эпителиальных тканей во время неопластической трансформации. Основываясь на актуальности решаемых в проекте задач для широкого спектра дисциплин, а также их уникальности, мы считаем, что ожидаемые научные результаты реализации проекта соответствуют мировому уровню значимости и могут в значительной степени определить направление развития данной области науки. Залогом качества научных результатов является высокий уровень предшествующих исследований и публикаций научного коллектива по заявляемой тематике.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследуемые в проекте эпителиальные ткани играют важную роль в жизнедеятельности организма, защищая внутренние органы от повреждений и транспортируя полезные вещества. Несмотря на то, что представление об эпителии, как о разбиении плоскости на многоугольники существует уже несколько столетий, до сих пор точно не ясно, как клеточная геометрия влияет на процессы роста, деления и отмирания клеток, механические свойства эпителия, на происходящие во время эмбрионального развития трансформации плоских эпителиальных монослоев в структуры со сложной геометрией. На данном этапе реализации проекта на примере монослоев пролиферативных клеток почек зеленых африканских обезьян (COS) и клеток шейки матки человека (HCerEpiC), а также пролиферативных клеток оболочки ооцитов асцидий исследованы топологические характеристики упаковки клеток в зависимости от формы и скорости роста эпителия. Была написана компьютерная программа, которая в автоматическом режиме проанализировала более 150 микрофотографий плоского и сферического эпителия. Полученные распределения клеток по их числу их соседей демонстрируют неизвестные ранее различия между сферическим и плоским случаями. Также в работе обсуждаются топологические дефекты в упаковке данных клеток. В отличие от более упорядоченных коллоидных кристаллов и эпителия икринок асцидий, в сферических монослоях клеток COS невозможно выделить линейные топологические дефекты в виде рубцов или складок. Предложен новый метод более глубокого анализа топологии эпителиальных монослоев, основанный на рассмотрении парных корреляционных функций (стремлений клеток с определенным числом соседей расположиться рядом друг с другом). Показано, что как в сферическом, так и в плоском монослое вероятность наблюдения пары соседних клеток с определенной валентностью зависит от топологического заряда пары клеток. Нулевой топологический заряд пары клеток может увеличить вероятность того, что ячейки будут ближайшими соседями. В отличие от сферических монослоев клеток COS, монослои асцидий склонны к агломерации 6-валентных клеток. Обнаруженные морфологические особенности сравниваются с предсказаниями широко используемой вершинной модели эпителия. Также проведено моделирование эпителиальных монослоев, рассмотрена топологическая дефектность полученных структур, найдены значения парных корреляционных функций. Было показано, что чем более сильно упорядочена модельная упаковка клеток, то есть чем больше в ней клеток имеют 6 соседей, тем больше корреляции между клетками с 5ю и 7ю соседями. Также проведено моделирование динамических процессов в эпителии, в том числе процессов митоза и апоптоза в монослоях клеток. Показано, что малая скорость этих динамических процессов заставляет колебаться топологические характеристики эпителия, такие как распределения клеток по числу из соседей и парные корреляции) около средних значений, а большая скорость деления или апоптоза может приводить к значительному уменьшению процента клеток с 6 соседями, то есть к увеличению дефектности эпителия. Проведено сравнение топологии модельных структур с реальными пролиферативными и непролиферативными эпителиальными монослоями. В следующем году реализации проекта будут рассмотрены гиперпролиферативные (раковые) монослои клеток и будет проведено сравнение топологии и методов моделирования раковых и здоровых монослоев клеток. Данное исследование, находящееся на стыке физики и клеточной биологии, может дать новую информацию о поведении эпителиальных клеток в нормальных и патологических условиях, которая важна для понимания механизмов нарушения морфогенеза и старения, в диагностике заболеваний. Полученные результаты были представлены на трех всероссийских и международных конференциях и опубликованы [1] в журнале, входящем в RSCI. Также в журнале первого квартиля Physics Review E находится на втором круге рецензирования ещё одна статья, подготовленная в ходе первого года работы по гранту. Препринт статьи [2] доступен по ссылке http://arxiv.org/abs/2305.03990. Смотрите также интервью с Рошаль Д.С. о реализации проекта РНФ в газете город N «Здоровые клетки — шестиугольники, больные — бесформенные» (https://gorodn.ru/razdel/obshchestvo_free/obrazovanie/39555/) 1. Д.С. Рошаль, К. Аззаг, К.К. Федоренко, С.Б. Рошаль, С. Багдигьян. Проявление сферической геометрии в монослоях клеток // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2023. № 1. С. 17–23. 2. D.S. Roshal, K. Azzag, K.K. Fedorenko, S.B. Rochal, S. Baghdiguian, Topological properties and shape of proliferative and non-proliferative cell monolayers // https://doi.org/10.48550/arXiv.2305.03990 , submitted to Physical Review E.

 

Публикации

1. Рошаль Д.С., Аззаг К., Федоренко К.К., Рошаль С.Б., Багдигьян С. Проявление сферической геометрии в монослоях клеток Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки, Рошаль Д.С., Аззаг К., Федоренко К.К., Рошаль С.Б., Багдигьян С. Проявление сферической геометрии в монослоях клеток // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2023. № 1. С. 17–23. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18522/1026-2237-2023-1-17-23

2. Рошаль Д.С., Аззаг К., Федоренко К.К., Рошаль С.Б., Багдигиян С. Особенности топологии пролиферативных и непролиферативных эпителиальных монослоев Сборник научных трудов VII Съезда биофизиков России, Рошаль Д.С., Аззаг К., Федоренко К.К., Рошаль С.Б., Багдигиян С. Особенности топологии пролиферативных и непролиферативных эпителиальных монослоев // Сборник научных трудов VII Съезда биофизиков России, том 1, стр.327-328. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26297/SbR6.2023.001

3. Рошаль Д.С., Аззаг К., Федоренко К.К., Рошаль С.Б., Багдигиян С. Особенности упорядочения клеток в раковых и здоровых монослоях Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития : Материалы XXX научной конференции (Ростов-на-Дону, 13 – 15 апреля 2023 г.), Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития : Материалы XXX научной конференции (Ростов-на-Дону, 13 – 15 апреля 2023 г.), стр.343-346 (год публикации - 2023)

4. Рошаль Д.С., Федоренко К.К., Мартин М., Багдигиян С., Рошаль С.Б. Статистический анализ и моделирование строения клеточных монослоев с разной скоростью деления Сборник аннотаций международной конференции "Современные проблемы теории конденсированных сред", Сборник аннотаций международной конференции "Современные проблемы теории конденсированных сред", стр. 67. (год публикации - 2022)

5. Федоренко К.К., Рошаль Д.C., Аззаг К., Рошаль C.Б., Багдигян C. Анализ топологии эпителиальных монослоев с разной скоростью митоза XXX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов—2023». Секция «Физика». Сборник тезисов, Международный молодежный научный форум “ЛОМОНОСОВ–2023”. Сборник тезисов докладов. Секция “ФИЗИКА” Подсекция “БИОФИЗИКА”, стр. 186-187 (год публикации - 2023)

6. - Здоровые клетки — шестиугольники, больные — бесформенные Ростовский деловой портал "город N", Дата публикации: 06.11.2022. (год публикации - )