Российские ученые могут смоделировать, что угодно

Мощное наступление на рак, которое ведет мировая наука, приносит свои плоды: с каждым годом сложная природа болезни становится все яснее, а число выздоровевших растет. К решению проблемы подключаются ученые самых разных специальностей, в том числе и очень далекие от медицины. Свой вклад в понимание природы рака вносят и российские физики из знаменитого ФИАНа — Физического института им. Лебедева Российской академии наук.

Как уложить болезнь в формулу

Первое, что изумляет при новости о создании математической модели рака: как можно втиснуть такую многоликую, сложную и во многом непредсказуемую болезнь в формулы, пусть даже очень сложные?

— Этот вопрос целиком отражает позицию врача, — согласно кивает один из разработчиков, доктор физико-математических наук Андрей Полежаев. — На самом деле в изучении рака может быть два подхода: либо описать его максимально детально, что делает биология, либо представить теоретически, в виде модели, что может сделать математика. Но для этого надо вычленять какие-то главные его свойства, принципы возникновения и развития.

Несомненно, каждая опухоль имеет специфические черты, различны и формы перерождения нормальных клеток в злокачественные. Но есть и общее, считают ученые. Нормальная клетка слушается окружения, выполняет какую-то программу. Перерождаясь, она выходит из подчинения организму. Раковая клетка не слышит сигналов организма и неуклонно делится, пока есть питательные вещества, и только если "еды" нет, она умирает. Во всем остальном от нормальной она отличается очень мало. И если иммунная система ее вовремя не отловила и не уничтожила, возникает опухоль.

— Главные характеристики раковой клетки, в какой бы опухоли она ни находилась, — это скорость деления и способность двигаться, — продолжает второй автор модели кандидат физико-математических наук Андрей Колобов. — И эти признаки можно точно измерить.

Ядерный взрыв в компьютере

Математическое моделирование все шире приходит на смену имитационному, которое использовалось прежде. Для второго нужно было знать сотни параметров явления. Для первого достаточно нескольких характеристик и всей мощи современной математики. Сбывается предсказание Иммануила Канта: "Во всяком учении о природе подлинной науки заключается лишь столько, сколько содержится в нем математики". Проще говоря, наука — это то, что можно описать формулами.

Сегодня, с появлением мощных компьютеров, математика помогает создавать метеорологические прогнозы, конструировать новые устройства, даже проводить ядерные взрывы без полигона и загрязнения природы.

Можно создать и уравнение, которое будет выражать процессы, происходящие в биологических объектах, но это дело пока для биологии (и медицины, как ее части) новое. Поэтому не всеми принимаемое. Пока идеи математиков врачам-онкологам не очень интересны. Они имеют дело с конкретным пациентом, его бедой и болью. А тут какие-то отвлеченные формулы, уравнения, символы...

Но почему же тогда во всем мире — бум работ по математическому моделированию рака?

Что внутри опухоли?

В обыденном представлении раковая опухоль — это что-то зловеще монолитное и агрессивное. Но опухоль может содержать клоны разных клеток, которые отличаются скоростью деления и подвижностью.

Эти популяции конкурируют между собой, но со временем одна почему-то начинает доминировать. Почему? — задались загадкой ученые ФИАНа.

— Первая идея была — секрет в том, что популяция-победитель быстрее делится, — продолжает Андрей Полежаев. — Но ситуация бывает и обратной. Мы показали, что если медленно делящиеся клетки обладают подвижностью и находятся на периферии опухоли, то они могут мигрировать туда, где больше питательных веществ, и за счет этого получают преимущества перед быстро делящимися. Они их как бы отсекают от источников питания. И хотя делятся медленно, но могут дать и метастазы. Это показала именно наша модель.

Математическая модель позволяет анализировать поведение разных опухолей. У солидных всегда есть четкая структура: на периферии клетки живые, они активно делятся. За ними — слой "спящих клеток", которым не хватает глюкозы и кислорода. Если им дать того и другого, они тоже будут делиться. В центре опухоли — клетки мертвые, там идет некроз, поскольку им не достается никакого питания.

— Во время операции врачи стараются убрать как можно больше ткани вокруг опухоли, так как самые опасные клетки расположены на ее периферии, — поясняет Андрей Колобов. — Но у высоко инвазивных опухолей клетки настолько подвижны, что могут поражать другие органы, далеко продвигаться вглубь нормальных тканей, при этом не разрушая их.

— А насколько далеко они ушли — на этот вопрос тоже может ответить наша модель, — добавляет Андрей Полежаев. — Для этого нужно знать свойства тканей, в которых возникает опухоль, характеристики самих клеток, их подвижность. И, конечно, нужна хорошая связь с врачами, которые эти параметры могут измерить. Тогда мы могли бы подсказать им, куда именно она будет расти, хотя глазом во время операции они этого не увидят.

Дерево растет по законам

Живое дерево под окном, кажется, растет как придется. На самом деле формирование его кроны, длина ветвей, число почек — все можно выразить математическими закономерностями. "Поверить алгеброй гармонию" удавалось не только сухарю Сальери — сегодня писать музыку и играть в шахматы умеет компьютер, причем гораздо лучше среднего шахматиста или композитора.

В нашем организме тоже многие процессы протекают настолько закономерно, что их в состоянии описать математика. Хотя эта задачка посложнее бинома Ньютона.

Сегодня надежды онкологии во многом связаны с феноменом ангиогенеза. Растущая раковая опухоль разрушает кровеносные сосуды, которые ее питают. Но она же умеет стимулировать процесс образования новых сосудов — это и есть ангиогенез. Если этот процесс прервать, опухоль просто задохнется от нехватки питания.

Рассчитать влияние ангиогенеза на скорость роста опухоли возможно, тоже сумеет математика. Наши ученые как раз сейчас пытаются это сделать. В этом случае математическая модель поможет оценить эффективность терапии, направленной на прекращение роста новых сосудов.

В целом же модель может развиваться, усложняться за счет введения новых параметров, новых экспериментальных данных. Пока усилия ученых теоретического отдела ФИАНа практической медициной не востребованы. Но не забудем: и магнитно-ядерный резонанс, и волоконная оптика, и возможности ультразвука когда-то были открыты физиками, а уж потом пришли в медицину. Да так, что без них теперь ее и представить сложно.

— Наша задача довольно скромная, — суммирует Андрей Полежаев. — В перспективе иметь модель опухоли, которая позволяла бы давать прогноз ее развития у конкретного больного и формулировать рекомендации, как эффективнее влиять на нее. Но для этого, конечно, нужен тесный контакт с врачами-онкологами.

Ничего не скажешь, скромность украшает ученого. Как, собственно, и дерзость.

Физики добрались до души

Депрессия становится одной из самых распространенных психических болезней в мире — ею страдают миллионы людей. До сих пор психиатры лечили это тяжелое состояние, полагаясь лишь на наблюдение за поведением пациентов. Объективных методов оценки успеха или неуспеха лечения не было.

Создать его врачам из Московского НИИ психиатрии помогли те же физики из ФИАНа и коллеги из НИИ физико-химической медицины Минздравсоцразвития России. Они изучили особенности альбумина — белка, входящего в состав сыворотки нашей крови. Этот важный белок связывается с продуктами обмена веществ и выносит их из организма. При некоторых болезнях, в том числе и при депрессии, молекула белка меняет свою форму. А после эффективного лечения она вновь принимает форму нормальную.

Это удалось установить с помощью специального светящегося "зонда", придуманного физиками. Зонд — это особая молекула, которая умеет присоединяться к молекуле альбумина и своим свечением сообщать о ее характеристиках. Так что теперь в распоряжении медиков появился простой и достоверный метод оценки результатов лечения. Практика доказала: физики и врачи вполне могут найти общий язык — язык большой науки.