![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование участия механических факторов в организации и самоорганизации биологических систем, состоящих из клеток, проявляющих механическую активность. Главной целью работы является построение и исследование моделей сплошных сред с учетом различных механизмов взаимодействия между клетками, а также между клетками и внеклеточным матриксом на основе методов механики многофазных сплошных сред с явным введением параметров, отвечающих за механическую активность клеток. Результаты моделирования будут использованы для анализа закономерностей, наблюдаемых в экспериментах, проводимых с целыми зародышами и эксплантатами эмбриональных тканей и направленных на изучение участия механозависимых клеточных реакций в эмбриогенезе. В частности, будут выполнены и теоретически интерпретированы опыты по переориентации естественного направления вытяжения тканей под воздействием приложенной извне силы. Будет обоснован и приложен к описанию изгибания клеточных пластов и других конкретных процессов биологического формообразования упрощенный метод, базирующийся на анализе пространственно-временной организации активных сил и моментов. Предполагается моделирование самоорганизации в гетерогенных системах, образованных клетками разных типов, включая их сегрегацию (пространственное разделение) в результате активного взаимодействия. Результаты могут быть использованы как для анализа механизмов нормального и патологического развития организмов, в том числе механических процессов в опухолевых тканях, так и в биоинженерии.
Показать полностьюThe project is aimed at theoretical and experimental study of the participation of mechanical factors in the organization and self-organization of biological systems consisting of cells exhibiting mechanical activity. The main goal of the work is to construct and study models of continuum media taking into account various mechanisms of interaction between cells, as well as between cells and the extracellular matrix based on methods of mechanics of multiphase continua with explicit introduction of parameters responsible for the mechanical activity of cells. The simulation results will be used to analyze the patterns observed in experiments conducted with whole embryos and explants of embryonic tissues and aimed at studying the participation of mechanically dependent cellular reactions in embryogenesis. In particular, experiments on reorientation of the natural direction of extension of tissues under the influence of an externally applied force will be performed and theoretically interpreted. A simplified method based on the analysis of the space-time organization of active forces and torques will be substantiated and applied to the description of the bending of cell layers and other specific processes of biological morphogenesis. It is assumed to model self-organization in heterogeneous systems formed by cells of different types, including their segregation (spatial separation) as a result of active interaction. The results can be used to analyze the mechanisms of normal and pathological development of organisms, including mechanical processes in tumor tissues, and in bioengineering.
Показать полностьюПроект 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, 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 решение которой направлен проект – построение математических моделей, описывающих на основе методов механики сплошной среды механическое поведение клеточных систем с учетом клеточной активности, и их приложение к конкретным процессам биологического формообразования. Модели должны учитывать различные механизмы межклеточных взаимодействий как внутри одной клеточной популяции, так и между клетками различных типов, а также взаимодействие между клетками и внеклеточным матриксом. Предполагается приложение развиваемых моделей к анализу закономерностей, наблюдаемых в экспериментах, проводимых с эксплантатами эмбриональных тканей и на культурах клеток, а также к описанию формообразования в норме и патологии, включая эмбриональное развитие и взаимодействие опухолевых и нормальных тканей.
Механика живых систем, в первую очередь биологических сплошных сред, изучается в нашем коллективе с 60-ых годов прошлого века. В выполненных ранее исследованиях разработан общий подход к постановке и решению задач биомеханики тканей и систем и решено множество конкретных теоретических и прикладных задач. Если говорить о результатах, непосредственно примыкающих к теме заявки, разработана общая модель растущей ткани как сплошной многофазной среды, которая конкретизирована для различных тканей животных и растений и применена к решению частных задач; развиты методы построения и анализа моделей сред с дифференциально растущими фазами. Выполнен значительный объем уникальных экспериментальных исследований механозависимых реакций в целых зародышах животных (в основном, амфибий) и на выделенных из организма фрагментах тканей (эксплантатах). Развиты качественные представления о закономерностях участия механических напряжений в организации эмбриогенеза. Предложен подход к описанию деформаций в эмбриогенезе на основе представления об активных напряжениях. Создана модель эмбриональной эпителиальной ткани, позволившая адекватно описать поведение клеток в растянутом эксплантате. Впервые в мировой литературе модель учитывает взаимосвязь механической активности на тканевом и клеточном уровнях. Вместе с тем, модель нуждается в модификации, поскольку не описывает полностью ряд других экспериментов и наблюдаемых фактов (в частности, переориентацию естественного направления вытяжения ткани как отклик на внешнее растяжение ткани). Предшествующие исследования коллектива были поддержаны грантами РФФИ как по механике, так и по биологии. Теоретическая часть планируемых исследований в значительной степени базируется на результатах проекта 14-01-00475.
Показать полностьюРазработана 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 и учитывающая активные деформации и переупаковку клеток. Определяющее соотношение для тензора активных напряжений, создаваемых клетками, учитывает гипотезу о влиянии формы клеток и напряжений в местах контакта между ними на развитие активных напряжений, и, тем самым, на последующее направление переупаковки клеток. Определяющее уравнение также учитывает развитие активных напряжений, обусловленное анизотропией клеточной активности, которая может быть переориентирована посредством механического воздействия. Модель использована при решении задачи, описывающей эксперименты по изучению клеточных реакций в эксплантате эмбрионального эпителия при его растяжении перпендикулярно оси естественного вытяжения. Выполнены расчеты, позволяющие оценить влияние степени растяжения образца эпителиальной ткани и продолжительности пребывания его в растянутом состоянии на степень переориентации направления естественного вытяжения. Решена задача, в которой исследуется влияние распределения активных сил и моментов на пространственную организацию изгибания клеточного пласта. Проведенное численное моделирование позволяет найти распределения, наиболее близко соответствующие конкретным морфогенетическим движениям при гаструляции, сделать выводы о характере макроскопической организации процесса изгибания пласта, и определить направление исследований с целью выяснения клеточных механизмов способных создать соответствующие усилия. Разработана и исследована трехмерная континуальная модель среды, образованной клетками и жидкостью, с учетом сократительной активности клеток, позволяющая описывать формообразовательные процессы на ранних стадиях эмбрионального развития. Модель используется при описании процессов формообразования, связанных с потерей устойчивости однородного состояния. Получен критерий, позволяющий выявить набор параметров, характеризующих механизм дестабилизации. Модель использована при решении задачи о формировании замкнутой полости в первоначально однородном клеточном сфероиде вследствие потери устойчивости однородного состояния. Исследовано влияние различных механизмов локального и нелокального создания активных напряжений на эволюцию плотности клеток в результате развития неустойчивости. В случае нелокального механизма развития активных напряжений учитывается анизотропии их развития, определяемая неоднородностью распределения плотности клеток в различных направлениях. Проведено исследование влияния различных пространственных распределений параметров, характеризующих клеточную адгезию, клеточную подвижность и интенсивности развития активных напряжений на перераспределение объемной плотности клеток в сферически симметричном, первоначально однородном клеточном сфероиде. Выявлены закономерности распределения клеток и параметров межклеточных взаимодействий, приводящие к формированию как центральной заполненной жидкостью полости, так и более сложных клеточных структур, наблюдаемых в процессе эмбрионального развития. Показано, что одним из необходимых условий такой эволюции является достижение определенного уровня давления во внеклеточной жидкости. Выполнена серия экспериментов по растяжению целого зародыша шпорцевой лягушки в направлении, перпендикулярном направлению его естественного вытяжения. Исследована роль механозависимых клеточных движений в установлении пространственной организации осевых зачатков в зародышах шпорцевой лягушки. Показано, что присутствие внеклеточного вещества существенно влияет на переориентацию направления естественного вытяжения. Разработана методика с использованием конфокальной микроскопии, которая позволяет повысить разрешение измерений и анализировать клеточные движения не вручную, а с использованием алгоритмов автоматического распознавания. Окрашенные ядра выступают опорными точками в алгоритме ручной коррекции артефактов распознания, вызванных неравномерностью сигнала. Указанная методика позволила получить прижизненные регионспецифичные цейтраферные съёмки клеточных движений в эпителии зародышей шпорцевой лягушки на стадии поздней гаструлы. Разработана автоматизированная установка, позволяющая осуществлять контролируемое двухосевое растяжение подложки с прикреплёнными к ней эксплантатами эмбрионального эпителия. Установка может быть использована для регистрации in vivo клеточных движений с помощью конфокального микроскопа.
Показать полностьюгрант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Континуальное моделирование механически активных клеточных систем |
Результаты этапа: Разработана 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, включая переориентацию направления «естественного» вытяжения эксплантата, характеризующего направление вытяжения эксплантата при отсутствии внешней нагрузки. Для описания изменения тензора активных напряжений, создаваемых клетками, предложено уравнение, учитывающее механизм изменения тензора, определяющего анизотропию естественного вытяжения, под воздействием развивающегося в ткани поля механических напряжений. Модель использована при решении задачи, описывающей эксперименты по изучению клеточных реакций в эксплантате эмбрионального эпителия при его растяжении перпендикулярно оси естественного вытяжения. На основе модели выполнены расчеты, позволяющие оценить влияние степени растяжения образца эпителиальной ткани и продолжительности пребывания его в растянутом состоянии на степень переориентации направления естественного вытяжения. Конкретная форма модели и порядок входящих в нее параметров определены в соответствии с данными экспериментов по растяжению эксплантатов эмбриональных эпителиев. | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Континуальное моделирование механически активных клеточных систем |
Результаты этапа: В рамках проекта продолжена работа по разработке, анализу и приложению развиваемых моделей, позволяющих в рамках единого подхода описать и анализировать наблюдаемые в экспериментах закономерности, связанные с механозависимостью процессов формообразования в клеточных системах. В связи с этим в 2017 году выполнено: 1. Разработана и исследована трехмерная континуальная модель перестройки биологических тканей с учетом активных напряжений, развиваемых при межклеточных взаимодействиях, и двух разных типов деформаций среды (за счет деформаций клеток и в результате их взаимного перемещения) с учетом присутствия внеклеточной жидкой фазы. Модель может быть использована при изучении различных способных к перестройке клеточных систем, включая эмбриональные мезенхимы, ткани опухолей мезенхимного типа и культуры клеток. Рассмотрена возможность использования модели при описании процессов формообразования, связанных с потерей устойчивости однородного состояния. Полученный критерий устойчивости позволяет выявить набор параметров, характеризующих механизм потери устойчивости, связанный с процессом активного взаимодействия клеток за счет создаваемых ими активных напряжений и противодействующим процессом отталкивания клеток из-за сил, обусловленных пассивными и активными реакциями клеток в ответ на избыточное сжатие. – С.А. Логвенков, А.А. Штейн, Е.Н. Юдина 2. Решена задача об образовании замкнутой полости (бластоцеля) в первоначально однородном клеточном сфероиде, состоящем из клеток и внеклеточной жидкости. В результате решения задачи показано, что одним из необходимых условий образования полости является достижение определенного уровня давления во внеклеточной жидкости. Другим необходимым условием является градиент коэффициента клеточной подвижности в направлении поверхности сфероида, являющийся следствием различия свойств клеток, расположенных в разных областях зародыша. Результаты решения 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 на стадии раннего развития эмбрионов.– С.А. Логвенков, И.Н. Моисеева, А.А. Штейн 3. Выполнены эксперименты по исследованию влияния механических факторов на активные клеточные реакции при растяжении целых зародышей шпорцевой лягушки. Продолжено выполнение серии экспериментов, в которых растяжение проводили в направлении, поперечном передне-задней оси зародыша (то есть перпендикулярно направлению естественного вытяжения зародыша). Исследованы траектории движения индивидуальных клеток как растянутых зародышей, так и зародышей, не подвергнутых растяжению. В результате проведенного исследования показано: возможность переориентации осевого комплекса ранних гаструл X. laevis вдоль направления искусственно приложенного поперечного растяжения; искусственно приложенное поперечное растяжение порождает широкий спектр структурных аномалий, выраженных с разной степенью хаотизации внешней морфологии и расположения основных зачатков; для морфогенетических движений в экспериментальных образцах характерна устойчивость нормальных гаструляционных паттернов, при, однако, наличии образцов с хаотичными паттернами движения клеток; наблюдается различие в значениях локальных деформаций между опытными образцами и нормально развивающимися зародышами. Полученные результаты не были сопоставлены с математической моделью в связи со смертью руководителя эксперимента профессора Л.В.Белоусова. – Л.В. Белоусов, Д.В. Бредов. | ||
3 | 4 марта 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Континуальное моделирование механически активных клеточных систем |
Результаты этапа: 1. В рамках проекта была продолжена работа по разработке, анализу и приложению развиваемых моделей, позволяющих в рамках единого подхода описывать и анализировать наблюдаемые в экспериментах закономерности, связанные с механозависимостью процессов формообразования в клеточных системах. В связи с этим выполнено исследование и модификация модели сплошной среды, образованной клетками и внеклеточной жидкостью, с учетом анизотропии развития активных напряжений, определяемой локальной неоднородностью распределения плотности клеток в различных направлениях. Постулирование определяющего соотношения для активных напряжений основывается на следующих биологических представлениях. Во-первых, клетки мезенхимального типа характеризуются способность к одиночным движениям. При отсутствии внешних воздействий только некоторые остаются неподвижны, тогда как большинство беспорядочно перемещается в свободном пространстве, выдвигая случайным образом мембранные выросты или протрузии в разные стороны. При этом покрываемые клетками расстояния достаточно малы, и их движение носит беспорядочный характер. На макроскопическом уровне среднее значение потока импульса хаотического движения частиц через единицу поверхности среды характеризуется соответствующим давлением, проявляющимся в отталкивании частиц. Во-вторых, поведение клеток может кардинально меняться под воздействием внешних факторов, таких как градиент концентрации субстрат-связывающих адгезионных молекул. Клетки мигрируют, используя протрузии, которые представляют собой выросты переднего края плазматической мембраны, обращенного в сторону движения. Во взрослых организмах протрузии различной формы и размеров скрепляют клетку с окружающим матриксом за счет адгезивных контактов, однако на ранних стадиях эмбрионального развития ткани содержат лишь незначительное количество внеклеточного матрикса, и клетки рассматривают соседние клетки как субстрат для прикрепления протрузий и последующей миграции. При математическом описании этого механизма развития активных напряжений между клетками предполагается, что постоянно возникающие на поверхности клетки протрузии могут прикрепляться к участкам адгезионных контактов, расположенным на поверхности соседних клеток, а участки адгезионных контактов распределены равномерно по поверхности клеток. Тем самым, анизотропия тензора активных напряжений определяется неоднородностью распределения плотности клеток по некоторой сферической поверхности с радиусом, соответствующим характерному размеру протрузий (порядка или равным радиусу клетки) и центром в рассматриваемой точке. В результате, определяющее соотношение для активных напряжений состоит из двух слагаемых. Первое из них, ответственное за нелинейное активное сопротивление клеточной среды, обусловленное хаотическим поведением клеток, которое обеспечивает невозможность ее слишком большого сжатия, описывается шаровым тензором, определяющим давление. Считается, что оно является функцией объемной плотности клеток, характеризующей степень их сближения, причем эта функция должна неограниченно и нелинейно возрастать с увеличением объемной плотности клеток. Второе слагаемое имеет смысл напряжений, создаваемых направленными активными сокращениями в протрузиях, имеющих прочное прикрепление к поверхности соседних клеток. При определенных предположениях последнее слагаемое может быть сведено к функции объемной плотности клеток (локальное взаимодействие) или функционалу их пространственного распределения объемной плотности (нелокальное взаимодействие). Формулировка закона, определяющего скорость деформации среды за счет клеточных переупаковок предполагает, что процесс взаимного перемещения клеток друг относительно друга может управляться двумя физически различными механизмами. Во-первых, под воздействием внешних по отношению к клеткам механических сил, приложенных в местах контакта между ними, может происходить разрыв одних и образование других клеточных контактов с перемещением клеток одна относительно другой (первое слагаемое). Этот процесс контролируется прочностью межклеточных контактов, то есть межклеточной адгезией. В некоторой смысле он аналогичен вязкому течению материала: возникает растяжение ткани в результате смещения одних клеток относительно других, вызванное внешней силой. Однако, этот механизм нельзя считать пассивным, поскольку он сопровождается разрушением одних и образованием других межклеточных контактов. Во-вторых, клетки могут менять соседей в результате развития активных напряжений. Этот процесс можно рассматривать как проявление клеточной подвижности, связанной со способностью клеток распластываться и осуществлять перемещения на субстрате, в данном случае по поверхности соседних клеток (второе слагаемое). Определены параметры, отвечающие за два биологически различных механизма, которые могут независимо управлять клеточными движениями. Проведено исследование влияния различных пространственных распределений параметров, характеризующих клеточную адгезию, клеточную подвижность и интенсивности развития активных напряжений на перераспределение объемной плотности клеток в сферически симметричном, первоначально однородном клеточном сфероиде. Исследовано развитие системы после потери устойчивости. Выявлены закономерности распределения клеток и параметров межклеточного взаимодействия, приводящие к формированию как центральной заполненной жидкостью полости, так и более сложных клеточных структур, наблюдаемых в процессе эмбрионального развития. 2. В основе согласованного движение больших групп клеток различных типов, дающего начало биологическому формообразованию, лежит понятие клеточной адгезии. Клеточная адгезия является фундаментальным биологическим явлением, проявляющемся в связывание одной клетки с другой посредством поверхностных белков, обеспечивающих прочность скрепления мембран двух соседних клеток. Это понятие клеточной адгезии можно рассматривать как клеточную адгезию в узком смысле. В более широком смысле процесс клеточной адгезии включает в себя и активные межклеточные взаимодействия с участием сократительной активности различных элементов клеточного скелета. Такие взаимодействия могут быть реализованы посредством образования на поверхности клеток выростов различных размеров и формы (псевдоподий), закрепляющихся на поверхности соседних клеток. Сформулирована базовая система уравнений для сплошной среды, образованной внеклеточной жидкостью и двумя типами клеток, различающихся своими адгезионными свойствами и характером развития активных напряжений. В рамках развиваемого нами подходя, для описания активных межклеточных взаимодействий вводятся дополнительные фазы, в которых и развиваются активные напряжения. Объемами дополнительных фаз пренебрегаем. Дополнительные фазы привязаны к активным выростам клеток, содержащим сократительные элементы клеточного скелета. Тензоры напряжения в дополнительных фазах характеризуют активные взаимодействия, развивающиеся между клетками только первой, только второй клеточными фазами соответственно и активные взаимодействия, развивающихся между клетками разных клеточных фаз. Сформулированная модель учитывает различие закономерностей, которыми управляются развитие активных взаимодействий в разных дополнительных фазах. Деформирование среды, связанное с переупаковкой клеток, рассматривается как течение, управляемое динамическими параметрами среды. Определяющее соотношение для скорости деформации клеточных фаз за счет переупаковки клеток учитывает различие адгезионных свойств клеток как внутри самой фазы, так и с клетками соседней клеточной фазы. Полученная модель может быть использована при описании закономерностей взаимодействия клеток между собой и с окружающими их внеклеточными компонентами биологической среды, наблюдаемыми в самых различных биологических процессах, таких как формообразование в эмбриональных тканях, заживление повреждений мягких тканей, развитие опухолей, сегрегация клеток различных типов в культуре и многое другое. 3. Важным этапом разработки математической модели является сопоставление предсказываемых ей режимов с поведением реальных систем. Чтобы обеспечить достоверность такого сопоставления, требуется обеспечить как можно более высокое разрешение методики регистрации клеточных движений, а для изучения роли механического статуса ткани - инструментарий для стандартизации экспериментального воздействия, который позволял бы оказывать на эксплантаты ткани контролируемое и воспроизводимое механическое воздействие. Ранее, основным методом регистрации микродеформаций и клеточных движений в ранее проведённых экспериментах служила цейтраферная съёмка на стереомикроскопе Olympus SZX9. Данный метод обладал двумя существенными недостатками: недостаточной детализацией и, как следствие, невозможностью автоматизированного распознавания клеточных границ на изображении. Для контрастной визуализации клеточных границ было применено окрашивание клеточной мембраны красителем GAP43-GFP и ядер красителем H2B-mCherry. Однако интенсивность флуоресценции оказалось недостаточной для регистрации изображений на стереомикроскопе Olympus SZX9. В связи с этим, а также для повышения качества получаемых изображений была проведена time-lapse съёмка на конфокальном микроскопе Olympus FV-10i. Использование конфокального микроскопа повысило разрешение метода и позволило анализировать клеточные движения не вручную, а с использованием алгоритмов автоматического распознавания (EpiTools 2.1.6.). Окрашенные ядра выступают опорными точками в алгоритме ручной коррекции артефактов распознания, вызванных неравномерностью сигнала. Указанная методика позволила получить прижизненные регионспецифичные цейтраферные съёмки клеточных движений в эпителии зародышей X.laevis на стадии поздней гаструлы (стадия 11 по Nieuwkoop and Faber). Данная стадия была выбрана в связи с тем, что именно в период гаструляции происходят наиболее активные клеточные движения, достоверно показанные механозависимыми. Для регистрации in vivo клеточных движений с помощью конфокального микроскопа разработан проект автоматизированной установки, позволяющей осуществлять контролируемое двухосевое растяжение подложки с прикреплёнными к ней эксплантатами эмбрионального эпителия. В частности, приобретены и настроены моторизованные компоненты установки - шаговые актуаторы, блоки управления, схемы питания, подобран материал подложки, отлажен протокол его полимеризации, нанесения на подложку адгезивного покрытия и методика стимуляции адгезии эксплантатов. |
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".
1 |
| ||
2 |
| ||
3 | |||
4 |
|