Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии и программного обеспечения измерения внутриклеточного давления клетки по данным атомно-силовой микроскопии

Докладчик: Нагорнов Юрий Сергеевич

Должность: старший научный сотрудник

Цель проекта:
Цель работы: разработка методик, математических моделей и программного обеспечения для обработки данных атомно-силовой микроскопии с целью визуализации упругих состояний мембраны клеток крови и оценки внутриклеточного давления в соответствии с разработанными математическими моделями.

Основные планируемые результаты проекта:
В качестве конечного продукта ПНИР будет представлена методика расчета и программное обеспечение, встроенное в блок управления и анализа данных атомно-силового прибора индустриального партнера - компании НТ-МДТ. Для этого в начале исследований будет проведен анализ данных атомно-силовой микроскопии на предмет упругих состояний мембраны клеток крови. На основе анализа будет разработана математическая модель упругих состояний мембраны с целью нахождения их взаимосвязи с вязкоупругими свойствами внутриклеточной среды. На основе полученных данных планируется разработать программное обеспечение, позволяющее пользователю выделять клетки крови на скане атомно-силового микроскопа для дальнейшего анализа их внутриклеточного давления.
Методика и программное обеспечение будет востребовано при исследовании клеточных процессов методами атомно-силовой микроскопии.
Давление живых клеток определяется как внешней средой обитания, так и работой ионных каналов мембраны, в результате ионного обмена с внешней средой, ионные каналы создают давление внутри клетки. Измерение этого давления даст дополнительную информацию об активности живых клеток и уровня их обмена веществ с внешней средой в различных условиях.
В качестве путей решения поставленных задач в проекте предлагается использовать подход классической механики к клеткам крови. Коллективом исследователей проведено математическое описание эритроцита с точки зрения теории упругости. Полученные результаты расчетов показывают две области в мембране эритроцитов, которые образуют цитоскелет и определяют устойчивость формы эритроцита. При этом параметр упругости меняется с удалением от центра мембраны. Проведение расчета напряженного состояния клеток крови позволило проследить взаимосвязь упругих свойств с морфологией клетки. Таким образом, в проекте проведен расчет напряженных состояний клеток крови в зависимости от формы, внешнего давления и состояния клеток, при этом верификация расчета проведена по некоторым измеренным значениям упругости клеток в норме.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИР будут применяться в медицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний, связанные с оценкой внутриклеточного давления в клетках крови. Для раковых клеток упругие состояния мембраны клеток в разы и даже в десятки раз меньше, чем у здоровых клеток. В соответствии с развитой биомеханической моделью клеток эритроцитов при более упругих состояниях мембраны клеток необходимо более высокое давление для разрыва клеточной мембраны и гибели клетки. Следовательно, давление, при котором происходит гибель раковой клетки намного меньше, чем давление, при котором происходит гибель здоровых клеток. Таким образом, проект направлен на развитие инновационных методов лечения рака на клеточном уровне с переходом к персонализированной медицине.

Текущие результаты проекта:
В данный момент в рамках механической модели проведен расчет морфологии эритроцита и сравнение расчетных данных с экспериментальными данными, полученными при помощи атомно-силовой микроскопии. Предложена модель эритроцита, которая представляет эритроцит в виде однородного упругого тела с упругостью, зависящей от расстояния до центра эритроцита. В основу модели положены данные атомно-силовой микроскопии различных авторов, в частности, данные по зависимости ригидности мембраны от положения точки измерения на поверхности. В разработанной модели упругость мембраны изменялась в зависимости от расстояния до центра в пределах 1-1,6 кПа. Расчет упругих свойств выполнен методом конечных элементов, что позволило получить зависимость морфологии эритроцита от давления на мембрану, которое менялась в диапазоне 0,5-2 кПа. Хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных подтверждает состоятельность модели и позволяет заключить, что морфология эритроцита во многом определяется упругими характеристиками мембраны и внутриклеточным давлением.