Физики “просчитали” развитие опухолей

33

Исследования причин и механизмов развития онкологических заболеваний ведутся все более активно, причем не только учеными-медиками. Недавно к решению этой проблемы подключились и физики…

В Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) создана физико-математическая модель злокачественной раковой опухоли. Для более точного предсказания развития болезни ученые взяли за основу медико-биологические принципы жизни системы, к которым применили физику и математику.

С помощью этой модели, созданной ведущим научным сотрудником ФИАН, доктором физ.-мат. наук Андреем Полежаевым и старшим научным сотрудником, кандидатом физ.-мат. наук Андреем Колобовым, можно будет изучать механизм появления раковой опухоли, внутреннюю структуру, предсказывать ее поведение, скорость роста.

На появление новообразований влияет множество факторов, которые как раз и моделировали ученые. Сотрудники ФИАНа при построении своей модели учитывали некоторые особенности развития опухоли. Например, использовали тот факт, что по мере разрастания раковой ткани клеткам, находящимся внутри опухоли, достается все меньше и меньше питательных веществ. Вследствие этого они начинают отмирать. Таким образом, в организме образуется некая область, внутри которой клетки неактивны, а на периферии они обретают большую подвижность. Поэтому размеры опухоли увеличиваются не так быстро, как считалось раньше: линейно, а не по экспоненте.

Другим фактором при изучении развития новообразования стала подвижность клеток в объеме живой ткани. Ученым известно, что на кубический сантиметр живой ткани приходится примерно 106-108 опухолевых клеток – в зависимости от природы клеток, места их расположения и других условий. В результате деления таких клеток возрастает их плотность. А начиная с определенного момента, когда плотность достигает максимума, клетки начинают выталкиваться из центра на край опухолевой структуры, то есть «расползаться». Движение и рост клеток напоминают определенные физические процессы, например, поведение несжимаемой жидкости, которое как раз физикам хорошо известно. Соответственно, решили физики, можно предсказать, как будет развиваться в дальнейшем исследуемое онкологическое заболевание.

Злокачественная опухоль не имеет оболочки, растет быстро, отдельные ее клетки и клеточные тяжи способны к инфильтративному росту (проникновению в соседние ткани с повреждением их структуры), а также к диссеминации (распространению или разносу в отдаленные органы и ткани по кровеносным и лимфатическим сосудам). Диссеминация становится возможной при прорастании опухоли в сосуд. Следствием диссеминации является образование метастазов – ближайших к данному органу или отдаленных. Гистологическое строение злокачественной опухоли существенно отличается от окружающей здоровой ткани. Ее клетки атипичны (не похожи на клетки здоровых органов и тканей), полиморфны (разнообразны по виду), многие находятся в митозе (процессе деления). Характерным признаком опухолевой ткани является анаплазия, т.е. сходство опухолевой клетки с эмбриональной клеткой. Но опухолевые клетки не тождественны эмбриональным, т.к. их рост не сопровождается дифференцировкой. Следствием меньшей степени дифференцировки является, в частности, утрата изначальной функциональности.

Онкологические заболевания делятся на две группы:
  •  рак крови, злокачественные заболевания кровеносной и/или лимфатической системы. Среди них – различные виды лейкемии, лимфомы, миеломы, болезнь Ходжкина,

  •  плотные опухоли, новообразования в виде некоего скопления опухолевых клеток. Среди них – опухоли мозга, мышц, костей, почек и других органов. Метастазирование возможно за счет движения раковых клеток по кровеносным и лимфатическим путям. Тип опухоли определяется исходя из ее первоисточника, в котором зародились злокачественно измененные клетки – почка, печень, легкие и др.

Один из главных результатов – то, что с помощью физико-математической модели можно определить, как далеко «разбежались» опасные клетки. Это повлияет на принятие решения относительно того, насколько большую область вырежут врачи при операции: зачастую хирург удаляет больше, чем нужно, что не лучшим образом сказывается на состоянии больного. Фактически каждый третий онкологический пациент с раком той или иной локализации сталкивается с проблемой метастазов своего заболевания в головной мозг. На сегодняшний день количество больных с метастазами головного мозга гораздо больше, чем количество больных с первичной опухолью мозга. Например, в США разница между количеством таких больных практически составляет 10 раз.

Всего в США регистрируют до 170 тысяч случаев метастазирования в головной мозг. В России – не менее 100 тысяч. Причем именно эти случаи труднее всего поддаются лечению. И вот теперь, используя полученную физико-математическую модель самого процесса, можно определить вероятность метастазирования. Кроме того, знание наличия и объема метастаз бывает важно при прогнозировании эффективности того или иного препарата.

Со временем, при разрастании опухолевой ткани, эти клетки стимулируют рост кровеносных сосудов вокруг себя, которые ее питают. Дело в том, что рак является сочетанием различных состояний, приводящих к бесконтрольному размножению определенных клеток, чье функционирование нарушено. Такие клетки отличаются от обычных не только неуправляемым размножением, но имеют другую структуру. В основе канцерогенеза, в том числе и развития рака, лежит повреждение структуры ДНК. Противостоит канцерогенезу мощная система репарации (восстановления) повреждений. Следовательно, возможность запуска опухолевого роста будет зависеть как от количества и свойств канцерогена, так и от качества работы систем восстановления. Эти факторы также учитывались при создании физико-математической модели.

Моделируя с помощью физической модели раковый процесс, можно будет понять, как повлиять на процесс роста сосудов, чтобы замедлить рост опухоли, а в дальнейшем – и прекратить его. То есть, если помешать расти кровеносным сосудам вокруг опухоли, а лучше – по возможности совсем их перекрыть, то будет остановлен и рост самой опухоли.

Для проверки построенной модели физики ФИАНа проводят независимые эксперименты. В настоящее время продолжается работа над моделью, в нее вводятся все новые параметры, учитывающие глубинные процессы возникновения и развития раковой опухоли. Например, существующие дополнительные соматические заболевания, которые, безусловно, влияют на рак.

В крупных онкологических медицинских учреждениях с врачами сотрудничают смежные специалисты. Например, в отделении радиологии и радиохирургии НИИ нейрохирургии им. Бурденко уже сейчас работают, кроме врачей, физики, программисты и др. Современные методики подразумевают плановые, координированные совместные действия разных специалистов. Появляется все больше сторонников идеи, что совершенствование методик лечения онкозаболеваний не должно происходить только силами врачей-онкологов: важно участие медицинских физиков, радиологов и даже инженеров…