Роль механических напряжений в процессе превращения эндотелиальных клеток в стволовые на примере эмбриона Данио-рерио

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 проекта 20-72-00164

НазваниеРоль механических напряжений в процессе превращения эндотелиальных клеток в стволовые на примере эмбриона Данио-рерио

Руководитель Голушко Иван Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №49 - Конкурс 2020 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 слова мягкая материя, неустойчивость формы, теория упругости, рост тканей, фазовый переход, эмбриогенез, стволовые клетки

Код ГРНТИ29.19.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Со средины прошлого века теория конденсированного состояния используется для математического описания объектов живой природы. Классическая теория упругости и ее обобщения применяются для моделирования механических свойств биомиметических и биологических объектов: везикул, белковых нанотрубок (микротрубочки), кишечника и кровеносных сосудов. Изменения структур капсидов вирусов при их созревании исследуются с помощью методов теории структурных фазовых переходов в кристаллах. В предлагаемом Проекте с позиций теоретической физики будет рассмотрена биологическая система с цилиндрической геометрией – дорсальная аорта эмбриона Данио-рерио. У человека имеется два основных типа кровяных клеток. Это: красные кровяные клетки, обеспечивающие кислородом ткани организма, и белые кровяные клетки, защищающие организм от инфекционных заболеваний и инородных частиц. Эмбриональная аорта считается основным поставщиком гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) – предшественников всех кровяных клеток. Процесс превращения эндотелиальных клеток в гемопоэтические стволовые является универсальным для рыб, птиц и млекопитающих, включая человека, что делает предлагаемое исследование особенно актуальным. Процесс был открыт при исследовании эмбрионов рыбы Данио-рерио in vivo в 2010 году и был назван эндотелио-гемопоэтическим переходом (ЭГП). Целью предлагаемого Проекта является выявление роли механических напряжений в процессе превращения эндотелиальных клеток в стволовые на примере эмбриона рыбы Данио-рерио. В ходе ЭГП значительная часть клеток покидает аорту, превращаясь в гемопоэтические стволовые, поэтому описание подобной системы не может быть полным без рассмотрения поведения отдельных клеток, в том числе процессов, связанных с их миграцией и экструзией. Для этого мы разработаем теоретическую модель дорсальной аорты, учитывающую ее крупномасштабные деформации, а также перестройку системы на уровне отдельных клеток в процессе ЭГП. Насколько нам известно, сегодня не существует математических моделей, описывающих развитие аорты Данио-рерио. Для достижения цели проекта будут использованы методы и подходы из классической континуальной теории тонких упругих оболочек и теории фазовых переходов, а также численное моделирование методом конечных элементов. Все большее применение находят модели эпителиального слоя, рассматривающие энергию системы как совокупность энергий всех клеток, для случая планарной геометрии. Мы планируем обобщить подобный подход и использовать его для описания деформируемой в процессе развития цилиндрической аорты. Разработанная модель будет использована для интерпретации уникальных экспериментальных данных, полученных при помощи четырехмерной конфокальной микроскопии и компьютерной микротомографии. Результаты исследования заложат основу новых методов производства стволовых клеток in vitro для медицинских целей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чалин Д.В., Бюро Ш., Пармеджиани А., Рошаль С.Б., Кисса К., Голушко И.Ю. Modeling and live imaging of mechanical instabilities in the zebrafish aorta during hematopoiesis Scientific Reports, 11, 9316 (2021) (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-88667-w

2. Чалин Д.В. Механические неустойчивости в дорсальной аорте рыбы Danio rerio и их роль в процессе гемопоэза Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» (год публикации - 2021)

3. Голушко И.Ю. Роль механических неустойчивостей в процессе производства стволовых клеток в эмбрионах рыбы данио-рерио XVII Ежегодная молодежная научная конференция «Наука и технологии Юга России»: тезисы докладов, c. 261 (год публикации - 2021)

4. Голушко И.Ю., Чалин Д.В. Роль механических напряжений в дорсальной аорте Данио-рерио в процессе производства стволовых клеток ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 18–22 октября 2021 г. — СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2021, с. 83 (год публикации - 2021)

5. Чалин Д.И., Николаев А.Л., Садырин Е.В., Кисса К., Голушко И.Ю. Simple coarse-grained model of the zebrafish embryonic aorta suggests the mechanism driving shape changes during stem cell production Mechanics of Heterogeneous Materials, series Advanced Structured Materials, Springer Nature (год публикации - 2022)

6. Рошаль Д.С., Мартан М., Федоренко К.К, Голушко И.Ю., Молл В., Багдигян С., Рошаль С.Б. Random nature of epithelial cancer cell monolayers Journal of the Royal Society Interface (год публикации - 2022)
10.1098/rsif.2022.0026

7. Голушко И.Ю., Чалин Д.В. Mechanical instabilities in the dorsal aorta of Danio rerio and their role in the process of hematopoiesis Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical, and Biological Applications (MPMM&A-2021): Theses of the reports of the international conference (September 26 - October 1, 2021, Rostov-on-Don, Divnomorskoye) / Rostov-on-Don: DSTU, 2021., с. 29 (год публикации - 2021)

8. Чалин Д.В. Моделирование неоднородных напряжений в эмбриональной аорте Danio rerio и исследование их роли в производстве гемопоэтических стволовых клеток Сборник тезисов XVIII Ежегодной молодежной научной конференции «Наука Юга России: достижения и перспективы» (год публикации - 2022)

Публикации