Авторский коллектив представляет для участия в конкурсе цикл работ, посвященных проблеме исследования динамики неоднородных клеточных систем в биологии. Данная проблема связана с тем, что традиционный теоретический подход к динамике клеточных популяций не учитывает распределения клеток по параметрам внутри исследуемой популяции. Во многом это обусловлено тем, что современные стандартные анализаторы биологичеких микрочастиц (клеток) имеют существенные ограничения по способности идентифицировать клетки по морфологическим параметрам (размер, показатель преломления, параметры формы и внутренней структуры), что не позволяет исследовать проявления неоднородности на уровне субпопуляций клеточных культур. Появление и развитие новой экспериментальной методики - сканирующей проточной цитометрии - позволяет более тонко идентифицировать клетки по их морфологическим параметрам и существенно продвинуться в развитии метода функций распределения применительно к биокинетическим исследованиям клеточных систем.Конкретная решаемая в работе задача и ее значение
В цикле работ рассматривались следующие процессы: лиганд-рецепторное связывание на поверхности клеток [1]; эндоцитоз [2]; деление клеток (клеточный цикл) [3]; и сосуществование нескольких клеточных популяций в хемостате (проточном реакторе идеального перемешивания) [4]. Исследование данных процессов представляется важным для биологии, экологии и медицины.
Развиваемый теоретически подход заключается в моделировании динамики изменения функций распределения клеток по некоторым параметрам, которые являются определяющими для конкретного исследуемого процесса. Новизна и оригинальность такого подхода заключается в том, что моделирование осуществляется на основе формулировки исходных дифференциальных уравнений непосредственно для функций распределений, полагая эти функции распределения непрерывными и дифференцируемыми. Применяя метод нелинейной регрессии при сравнении теоретических и экспериментальных функций распределения в разные моменты времени, удается получить не только количественную (константы скоростей и пр.) но и качественную (например, меняется ли функция распределения самоподобным образом, и пр.) информацию о системе. Экспериментальная верификация разрабатываемых моделей осуществляется с применением оригинальной установки сканирующего проточного цитометра, не имеющего аналогов в мире.
1) Впервые теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при реакции связывания клеточных рецепторов с растворенными в среде лигандами функция распределения клеток по числу поверхностных лиганд-рецепторных комплексов меняется самоподобным образом, если процессы эндоцитоза в клетках несущественны [1]. Как следствие, сохраняется отношение значений среднего к ширине функции распределения. Данный вывод может быть использован как принцип определения значимости эндоцитоза клеток в том или ином процессе.
2) Впервые экспериментально измерены константы скорости накопления алюминий(III)-сульфофталоцианина (антиракового препарата) разными субпопуляциами лейкоцитов крови человека с учетом функции распределения по этим константам внутри субпопуляций [2]. Полученные данные необходимы для оптимизации фотодинамической химиотерапии рака.
3) Развита модель, описывающая частоту клеточных делений (митозов) с учетом функции распределения клеток по скорости прохождения клеточного цикла, а также степени корреляции скоростей дочерней и материнской клеток при прохождении G1-S перехода [3], что позволило объяснить некоторые интересные особенности поведения кривых меченых митозов у мушек дрозофил.
4) Теоретически доказано сохранение эффекта “квантования” коэффициентов чувствительности в сообществах микробных популяций при наличии распределения клеток по скорости роста и возрасту [4]. Данный эффект позволяет (что на первый взгляд кажется невозможным) определить число различных типов микробов в проточном реакторе идеального перемешивания, измеряя только входные и выходные концентрации регулирующих рост веществ.
Работы поддерживались международным (NATO SfP977976) и российскими (РФФИ 03-04-48852, 02-02-08120; МНТЦ 1777; СО РАН 70-2000, 115-2003-03-06) грантами. Результаты работы отражены в четырех публикациях в рецензируемых изданиях [1]-[4] и докладывались авторами на нескольких международных конференциях:
1. I.V. Surovtsev, I.A. Rasumov, V.M. Nekrasov, A.N. Shvalov, J.T. Soini, V.P. Maltsev, A.K. Petrov, V.B. Loktev, A.V. Chernyshev. Mathematical modeling the kinetics of cell distribution in the process of ligand - receptor binding. J. Theor. Biol., 2000, v. 206, pp. 407-417.
2. I.G. Scribunov, P.A. Tarasov, K.A. Semianov, V.P. Maltsev, A.V. Chernyshev, E.R. Chernych, M.V. Tichonova, C.D. Nikonov. Kinetics of the accumulation of aluminum(III)-sulfophthalocyanine by human leukocytes measured with a scanning flow cytometer. In: Controlling Tissue Optical Properties: Applications in Clinical Study, V.V. Tuchin, Editor, Proceedings of SPIE, 2000, v. 4162, pp. 108-119.
3. V.M. Nekrasov, A.V. Chernyshev, L.V. Omelyanchuk. Computer analysis of the labeled mitoses curves. Proceedings of The Fourth International Conference on Bioinformatics of Genom Regulation and Structure (BGRS’2004), Novosibirsk, IC&G, 2004, v. 2, pp. 109-112.
4. В.М. Некрасов, А.В. Чернышев, А.Г. Дегерменджи. Сохранение эффекта “квантования” коэффициентов чувствительности в микробных популяциях при наличии распределения клеток по скорости роста и возрасту. ДАН, 2006, т. 406, №4, c. 1-3.