![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Проект направлен на исследование участия механических факторов в организации и самоорганизации биологических систем, состоящих из множества клеток, проявляющих механическую активность. Изучение таких систем необходимо для понимания механизмов биологического формообразования, в первую очередь эмбрионального, развития опухолей, структурной перестройки в клеточных и тканевых культурах, а также в тканевой инженерии. Механические факторы (в числе других физико-химических факторов) играют существенную роль в организации индивидуального развития живых организмов, образуя необходимое звено в физической реализации генетической программы развития. Конкретная фундаментальная задача: на базе разработанных нами ранее общего теоретического подхода и экспериментальных методик исследовать теоретически и экспериментально участие механических факторов в ряде важнейших биологических процессов: начальной стадии эмбрионального формообразования, пространственном разделении (сортировке) клеток и распространении фронтов клеток одного типа по клеткам другого типа.
The project aims at a theoretical and experimental study of the participation of mechanical factors in the self-organization of biological systems consisting of cells exhibiting mechanical activity. Models of multiphase continuous media taking into account various mechanisms of active interactions between cells (including between cells of different types), as well as between cells and the extracellular matrix with the explicit introduction of parameters responsible for the mechanical activity of cells will be developed and investigated. These models will be used to describe, analyze and explain the regularities of mechano-dependent reactions observed in early embryonic development, as well as in experiments with cultures of embryonic cells and explants of embryonic tissues. We will consider new formulations of a number of problems that describe the fundamental processes of biological morphogenesis. In particular, the problem of the development of a small cavity formed as a result of instability in the center of a homogeneous cell spheroid will be investigated. The simulation results will describe the formation and propagation of a front separating the cell medium from the liquid. A continuum model of an actively deforming medium formed by cells of different types will be developed. The model will be used to theoretically describe self-organization in heterogeneous cellular systems, including the spatial separation (sorting) of cells of different types as a result of active intercellular interactions and the propagation (with the formation of separation fronts) of cells of one type over cells of another. As part of the project, the experiments to study the role of mechanical factors in the regulation of morphogenetic processes characteristic of early embryonic development will be performed. Collective cell movements and local deformations at the cellular and subcellular levels will be experimentally studied at the controlled deformation of embryonic tissue explants. The results can be used both to analyze the mechanisms of normal and pathological development of organisms, including mechanical processes in tumor tissues and the healing (regeneration) of soft tissue injuries, and in bioengineering.
Будет разработана новая континуальная модель, описывающая один из фундаментальных биологических процессов, проявляющийся в способности тканей, состоящих из клеток разных типов, развивать активные напряжения при взаимодействии друг с другом и совершать перемещения друг относительно друга. Введение адекватных интегральных характеристик наблюдаемых элементарных процессов и исследование степени участия каждого из них позволит проанализировать то, каким образом все они «интегрируются», чтобы принять участие в управлении развитием ткани. Модель (включая ее версию для одного типа клеток) будет исследована при решении ряда новых (в рамках континуальных постановок) задач, описывающих образование полости в раннем эмбриогенезе, распространение клеток одного типа по клеткам другого, а также сортировку клеток разных типов, первоначально образующих однородную смесь. В результате решения этих задач будет исследовано влияние различных механизмов межклеточных взаимодействий на образование клеточных структур. Результаты создадут содержательную базу для планирования новых экспериментов и оптимизации выращивания тканей вне организма. Будет проведена серия экспериментов с эксплантатами эмбриональных тканей, подвергнутых контролируемому автоматическому растяжению. При этом ключевым моментом в отношении объективности данных является анализ параметров всех клеток, попадающих в рассматриваемую область. Результаты анализа экспериментальных данных позволят исследовать роль различных механических факторов в инициации кооперативных клеточных реакций.
Нами развит, в том числе в результате выполнения гранта РФФИ 16-01-00504, общий подход при моделировании участия механических факторов в организации и самоорганизации биологических систем. Построена континуальная модель, позволяющая описать широкий круг эффектов, наблюдаемых в экспериментах с искусственным вытяжением эксплантатов ткани эмбрионального эпителия, описывающая активные реакции плоского слоя клеток эмбрионального эпителия. Разработана и исследована трехмерная континуальная модель перестройки механически активных биологических тканей с учетом активных напряжений, развиваемых при межклеточных взаимодействиях, двух разных типов деформаций среды (за счет деформаций клеток и в результате их взаимного перемещения) и присутствия внеклеточной жидкой фазы. Рассмотрена возможность использования модели при описании процессов формообразования, связанных с потерей устойчивости однородного состояния. Исследована задача о начале формирования замкнутой полости в первоначально однородном клеточном сфероиде, состоящем из клеток и внеклеточной жидкости, вследствие потери устойчивости однородного состояния. В результате решения модельной задачи сформулированы необходимые условия образования полости. Результаты решения модельной задачи качественно согласуются с данными наблюдений, относящимися к бластуляции, и позволяют анализировать участие различных возможных механизмов активных межклеточных взаимодействий, характерных для различных стадий процесса, в организации движения клеток, приводящих к появлению бластоцеля (полости) на стадии раннего развития эмбрионов. Экспериментальные подходы, используемые при реализации данного проекта, разрабатывались в нашей группе под руководством покойного профессора Л.В. Белоусова (биологический факультет МГУ, участник нашего предыдущего проекта), начиная с 70-х гг. и к настоящему времени приобрели количественный и объективный характер. Многие методы впервые предложены в лаборатории и позже стали общепринятыми.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 20 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Исследование участия активных механических взаимодействий в самоорганизации клеточных систем |
Результаты этапа: 1. Разработана новая модель, содержащая новые соотношения, описывающие развитие активных механических межклеточных взаимодействий в среде, образованной клетками разных типов, обладающих различной способностью формирования межклеточных контактов и развития активных сил при взаимодействии между собой. Решены модельные задачи о деламинации (расслоении) плоского слоя, образованного клетками двух разных типов. Решены задачи а) с неподвижной внешней границей, б) с подвижной внешней границей, перемещение которой определяется условиями нагружения. В этом случае будет принято условие равенства скоростей клеток различного типа на внешней границе. 2. Решена новая, в более общей (по сравнению с предыдущими нашими результатами) постановке задача о развитии малой полости, образовавшейся в начальный момент времени. Новая постановка задачи позволит описать последовательные стадии процесса: радиальное распространение фронта, разделяющего область, содержащую клетки, от области, заполненной только жидкостью. В результате решения будет исследовано влияние различных механизмов межклеточных взаимодействий на распространение фронта. Постановка и решение задачи описывают возможный сценарий формообразования на одной из ранних стадий эмбрионального развития. 3. Отработана методов прижизненного окрашивания мембран, актинового цитоскелета и ядерного материала. Критически важно получение хороших прижизненных (цейтраферных) съемок эмбриональных тканей для точного объективного определения морфологических характеристик клеток. 4. Будет завершена конструкция экспериментальной камеры для контролируемого растяжения эксплантатов эмбриональных тканей с заданной скоростью, на заданную величину и в заданном направлении. Это позволяет производить растяжения тканей непосредственно под микроскопом с возможностью наблюдения за объектом прямо во время механического воздействия, а также сразу после него, но без каких-либо перемещений объекта, которые могут нарушить его состояние и снизить объективность данных. | ||
2 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Исследование участия активных механических взаимодействий в самоорганизации клеточных систем |
Результаты этапа: 1. Разработана новая постановка задач об эволюции среды, образованной клетками двух разных типов при возможности независимого перемещение границ, ограничивающих клетки каждого типа. Таким образом, становится возможным моделировать образование и перемещение фронтов, разделяющих области, которые характеризуются различными объемными плотностями клеток разных типов. В частности, в этих областях могут отсутствовать клетки некоторого типа. 2. В рамках этой постановки поставлена и решена задача о расслоении плоского слоя, составленного клетками двух разных типов. Проведено сравнение результатов решения этой задачи в двух различных постановках: с независимым перемещением границ континуумов, представляющих клетки разных типов и с условием совпадения скоростей двух клеточных фаз на внешней границе. 3. На полученных кадрах цейтраферных съёмок поверхностных тканей эмбрионов Xenopus laevis будет проведено полуавтоматизированное распознавание (автоматизированное распознавание с ручной коррекцией ошибок) и трассировка движений клеток с помощью специального свободно распространяемого программного обеспечения (Heller и др., 2016). | ||
3 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Исследование участия активных механических взаимодействий в самоорганизации клеточных систем |
Результаты этапа: 1. Задача об эволюции биологической сплошной среды, образованной двумя активно взаимодействующими клеточными фазами, формулирована в сферически симметричной постановке, позволяющей изучать процессы, обусловленные активным взаимодействием клеток, в геометрии, более приближенной к реальной, чем ранее рассмотренные задачи о плоском слое. В зависимости от соотношения между параметрами модели, а также от выбранных граничных и начальных условий, эта постановка может соответствовать как сепарации клеток в однородной смеси, так и перемешиванию при первоначально неоднородном распределении (например, проникновению одних клеток в область, занятую другими). 2. Численно решена и исследована задача о разделении (сортировке) клеток в сфероиде, первоначально заполненном однородной смесью клеток двух разных типов при различных законах (локальном и нелокальном) развития активных межклеточных взаимодействий. Исследованы разные граничные условия: соответствующие неподвижной внешней границе и подвижной внешней границей, перемещение которой определяется условиями нагружения. Рассмотрено как условие равенства скоростей клеток различного типа на внешней границе, так и условие независимого перемещение границ, ограничивающих клетки каждого типа. Разработана новая численная схема, позволяющая учитывать условия на разрыве при сортировке клеток в сферическом агрегате. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".