Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Института цитологии РАН провели междисциплинарное исследование — усовершенствовали математический метод, который позволяет описывать геометрические параметры сложных природных объектов, например трещин металла или узора сосудистой сетки, и применили его для оценки того, как изменяется цитоскелет стволовых клеток во время воздействия биологически активных веществ. Подход станет мощным инструментом для описания клеточных структур, лежащих в основе механизмов регенерации тканей. Он также поможет в разработке «ускоряющих» клетки препаратов, востребованных в регенеративной медицине.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (руководитель гранта Ю.А. НЕГУЛЯЕВ, профессор Высшей школы биомедицинских систем и технологий СПбПУ, главный научный сотрудник ИНЦ РАН), опубликованы в журнале PloSOne.

Клеточная терапия — многообещающий метод, который позволяет лечить тяжелые травмы и разнообразные болезни, среди которых рак, диабет, рассеянный склероз и многие другие. Он заключается в трансплантации стволовых клеток в организм человека, где они смогут способствовать регенерации утраченных или дефектных тканей. Однако лишь небольшая их часть достигает цели и остается в ней. Проблема заключается в том числе в недостаточной подвижности: при пересадке стволовых клеток они не способны достигнуть поврежденного участка ткани или органа и остаться в нем, и поэтому не обеспечивают оптимальную регенерацию.

Ученые и медики пытаются повысить подвижность клеток при помощи особых препаратов, способствующих перестройке цитоскелета, и таким образом «ускорить» заживление. В процессе разработки этих веществ необходимо отслеживать, насколько эффективно происходят изменения свойств клеточного скелета, и уметь правильно их описать.

Исследователи рассмотрели изображения меченого специфическим красителем актинового цитоскелета стволовых клеток как фрактальные структуры. Так называют сложные геометрические фигуры, обладающие свойством самоподобия в широком диапазоне масштабов. Цитоскелет клеток, равно как и многие другие природные объекты, обладает сложной и нерегулярной формой, плохо поддающейся численной оценке.

Авторы, среди которых выпускники Политехнического университета, старший научный сотрудник группы ионных механизмов клеточной сигнализации ИНЦ РАН, Владислав Чубинский-Надеждин и младший научный сотрудник группы ионных механизмов клеточной сигнализации ИНЦ РАН Алла Ревитцер, предложили использовать метод измерения фрактальной размерности Минковского, который успешно показывает себя в ситуациях, когда нужно оценить, какое пространство занимает тот или иной объект на изображении. Однако цитоскелет клеток, как и многие другие природные объекты, обладает сложной и нерегулярной формой, плохо поддающейся численной оценке.

Процесс вычисления заключается в том, что на изображение накладывается сетка с квадратными ячейками, подсчитывается количество занятых им ячеек, потом сетка становится мельче, снова считаются заполненные ячейки, и так несколько раз. Далее в логарифмических координатах строят зависимость числа занятых ячеек от размера сетки и на основании этой зависимости вычисляют фрактальную размерность Минковского.

Исследователи разработали доступную всем программу, которая рассчитывает фрактальную размерность Минковского для изображения актинового цитоскелета. При этом она автоматически подбирает параметры позиции и размера ячеек исходя из расположения и размера, отмеченного красителем ядра клетки. «Мы поняли, что для более точной оценки реорганизации клеточного цитоскелета по микроскопическим снимкам нам необходим количественный метод. Одним из таких подходов, который и ранее единично использовался клеточными биологами, является метод измерения фрактальной размерности Минковского. Мы модифицировали и улучшили его, а затем успешно применили для оценки структур F-актина — одного из основных белков, составляющих цитоскелет», — рассказала Алла РЕВИТЦЕР, младший научный сотрудник группы ионных механизмов клеточной сигнализации ИНЦ РАН, выпускница Политехнического университета.

Политех — флагман разработок в области цифровых технологий, поэтому Иван СЕЛИН, старший преподаватель Высшей школы программной инженерии СПбПУ, отвечал именно за обработку изображений и программирование. Эксперт отмечает: «С помощью фрактальной размерности Минковского можно измерять „сложность“ любых изображений. В данном случае это были изображения клеточного скелета. Для большей стабильности метода была сделана привязка сетки к расположению и размеру клеточного ядра. Рад был поучаствовать в действительно мультидисциплинарном проекте, где требуются знания из абсолютно разных дисциплин. Считаю, что за такими исследованиями будущее».

По мнению исследователей, метод позволяет получить информацию об изменении структуры цитоскелета под действием различных факторов. При этом не требуется большого количества данных, на подготовку и обработку которых уходит много времени. Авторы надеются, что разработка будет интересна для клеточных биологов, например для тех, которые изучают цитоскелет стволовых клеток, применяемых в регенеративной медицине.