1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Данная работа направлена на решение фундаментальной проблемы исследования динамики гетерогенных систем в биологии, - в частности, клеточных популяций. Проблема связана с тем, что традиционный теоретический подход не учитывает распределения клеток по параметрам, а оперирует средними от функций распределения. Традиционно, динамику гетерогенных систем в биологии измеряют не на одиночных частицах, а на ансамбле, что не позволяет в общем случае восстановить функцию распределения (некорректная задача). Существующие анализаторы одиночных частиц, которые напрямую измеряют функции распределения клеток редко применяются для биокинетических исследований и имеют существенные ограничения по способности идентифицировать клетки по морфологическим параметрам (размер, показатель преломления, параметры формы и внутренней структуры). Актуальность данной проблемы особенно обостряется в последнее время в связи с исследованиями стволовых и других редких (в смеси популяций) клеток.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Конкретная задача состоит в формировании методических основ новой технологии динамической характеризации клеточных популяций. Работа направлена на изучение процессов взаимодействия клеток с различными агентами внешней среды, влияющих на динамику клеточной популяции: это могут быть молекулы, являющиеся факторами клеточного роста, медикаментами, антителами, лизирующими агентами и пр. При этом наблюдаемая динамика клеточной популяции зависит от функции распределения клеток по своим параметрам. В работе рассматривались следующие процессы: эндоцитоз [1]; деление клеток (клеточный цикл) [2]; лиганд-рецепторное связывание на поверхности клеток [3]; сосуществование нескольких клеточных популяций в хемостате (проточном реакторе идеального перемешивания) [4]; лизис эритроцитов в изотоническом водном растворе хлорида аммония [5]. Исследование данных процессов представляется важным для биологии, экологии и медицины.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
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, и позволяющего более тонко идентифицировать клетки по их морфологическим параметрам.
4. Полученные результаты и их значимость.
1) 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 [3]. В случае, когда процесс накопления лиганда клеткой лимитируется эндоцитозом, предложена модель динамики функций распределения клеток по количеству накопленного лиганда [1].
2) 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 [2], что было применено для обработки экспериментальных кривых меченых митозов у мушек дрозофил.
3) Теоретически показано сохранение эффекта «квантования» коэффициентов чувствительности (производные по концентрациям факторов роста) в сообществах микробных популяций при наличии распределения клеток по скорости роста и возрасту [4].
4) Создана и экспериментально подтверждена полная математическая модель, описывающая динамику изменения объема эритроцита и последующего разрушения эритроцитарной мембраны в процессе гемолиза в изотоническом растворе хлорида аммония [5].
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
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 докладывались авторами на 4 международных конференциях. Всего опубликовано 5 статей, в том числе 2 статьи в сборниках конференций и 3 статьи в международных рецензируемых журналах.
6. Вклад авторского коллектива.
Данная работа была выполнена в сотрудничестве научных коллективов нескольких институтов (российских и зарубежных), причем основными организаторами и исполнителями (начиная с постановки задачи и заканчивая обсуждением результатов) и, в этом смысле, основными авторами проектов были сотрудники ИХКиГ - В.П. Мальцев (общее руководство и оптическая часть), А.В. Чернышев (руководство биокинетической частью, моделирование и эксперимент) и В.М. Некрасов (моделирование и эксперимент). Огромная благодарность выражается другим участникам, которые внесли свой вклад: 1) участвовавшим в экспериментах бывшим сотрудникам ИХКиГ - И.В. Суровцеву, И.Г. Скрибунову, А.Н. Швалову, П.А. Тарасову, К.А Семьянову; 2) за предоставление возможности провести работы в своих лабораториях - А.G. Hoekstra (University of Amsterdam, Netherlands), Л.В. Омельянчук (ИЦиГ СО РАН), Е.Р. Черных (НИИ КИ СО РАМН), J.T. Soini (University of Turku, Finland), А.К. Петров (ИХКиГ СО РАН), В.Б. Локтев (ГНЦ “Вектор”, Кольцово), А.Г. Дегерменджи (Институт Биофизики СО РАН, Красноярск); 3) за предоставление материалов для исследования – М.В. Тихонова (НИИ КИ СО РАМН), С.Д. Никонов (НИИ КИ СО РАМН), И.А. Разумов (ГНЦ “Вектор”, Кольцово).
Список прилагаемых статей.
Сборники конференций:
- 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, v. 4162, pp. 108-119 (2000).
- 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 (2004).
Рецензируемые журналы:
- 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. Journal of Theoretical Biology, v. 206, pp. 407-417 (2000).
- 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. Доклады Академии Наук, т. 406, №4, c. 1-3 (2006).
- A.V. Chernyshev, P.A. Tarasov, K.A. Semianov, V.M. Nekrasov, A.G. Hoekstra, V. P. Maltsev, “Erythrocyte lysis in isotonic solution of ammonium chloride: Theoretical modeling and experimental verification”. Journal of Theoretical Biology, v. 251, pp. 93–107 (2008).