Российские ученые улучшили математический метод, с помощью которого можно описывать геометрию сложных по форме природных объектов, и использовали его в исследовании цитоскелета стволовых клеток — ключевых игроков в восстановлении тканей. Подход позволит решать как чисто научные задачи, так и практические, например, когда нужно апробировать препараты, «ускоряющие» движение клеток, очень важное в регенеративной медицине. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале PloS One.
Клеточная терапия, предполагающая трансплантацию стволовых клеток в организм больного, считается очень перспективной для лечения серьезных травм и тяжелых заболеваний, при которых часть тканей не может выполнять свои природные функции. Однако такой подход недостаточно эффективен — далеко не все клетки попадают куда нужно, а потому не могут обеспечить необходимый восстановительный эффект. Один из подходов к улучшению регенеративных свойств технологии — это повышение подвижности клеток при помощи особых веществ, способствующих перестройке цитоскелета, и таким образом, «ускоряющих» передвижение клеток к поврежденному участку. В процессе выявления этих веществ важно уметь отслеживать, как изменяется клеточный скелет, и желательно количественно описывать эти изменения.
«Мы поняли, что для более точной оценки реорганизации цитоскелета по микрофотографиям нам необходим количественный метод. Одним из таких подходов, который и ранее единично использовался клеточными биологами, является метод измерения фрактальной размерности Минковского. Мы модифицировали его, а затем успешно применили для оценки структур фибриллярного актина — одной из основных структур, составляющих цитоскелет»,— рассказывает младший научный сотрудник группы ионных механизмов клеточной сигнализации ИНЦ РАН Алла Ревитцер.
Исследователи Института цитологии РАН и Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого представили клетки с окрашенным актиновым цитоскелетом как фрактальные структуры — сложные самоподобные фигуры, часто встречающиеся среди природных объектов (береговых линий, сосудов и прочего). Цитоскелет клеток также имеет сложную и нерегулярную форму, которую проблематично описать численно. Ученые применили метод измерения фрактальной размерности Минковского. Его суть состоит в наложении на изображение объекта сетки с квадратными ячейками известного размера. Затем подсчитывают количество занятых ячеек, берут новую, более мелкую сетку, снова повторяют вычисления — 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 открытую для всех желающих программу, которая анализирует таким образом изображения клеток, самостоятельно выбирая необходимые для расчетов параметры. При этом она опирается на то, как расположено окрашенное ядро изучаемой клетки и какого оно размера.
«Наш 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. Поэтому мы надеемся, что наша разработка будет интересна для клеточных биологов, которые изучают цитоскелет стволовых клеток, применяемых в регенеративной медицине»,— добавляет Алла Ревитцер.