Как диагностируют рак врачи и биофизики — рассказали ученые Пермского Политеха

Всемирный день борьбы против рака отмечается 4 февраля. Ученые Пермского Политеха рассказали, что повышает риск развития онкозаболевания, какие есть методики обнаружения рака, кому следует чаще проходить обследования и почему стоит быть внимательным к своему самочувствию, а также объяснили, как на основе модели нескольких пораженных клеток распознать разновидность рака.

Раковые (злокачественные) клетки — это клетки практически любых тканей организма, которые приобрели способность к бесконтрольному быстрому делению и утрате своих функций. Питаются такие клетки тем же, чем и обычные. При этом из-за интенсивного роста они перехватывают питательные вещества, предназначенные для здоровых клеток ткани, таким образом угнетая их. В результате развивается новообразование, уничтожающее орган, в котором растет. Например, при раке легкого вместо ткани формируется опухоль, состоящая из злокачественных клеток, которые утрачивают способность к полноценному воздухообмену. Из-за этого нарушается подача кислорода в кровь, сильно ухудшается самочувствие человека.

Почему рак — коварное заболевание?

Об этом рассказал Сергей Солодников, кандидат медицинских наук, научный консультант по вопросам фармакологии НОЦ ХимБИ ПНИПУ. Рассмотрим на примере опухоли мочевого пузыря (карциномы). Она поражает внутреннюю оболочку пузыря, растет в объеме и переходит на кровеносные сосуды, что приводит к кровотечению и к возможности метастазирования — процесса, при котором злокачественные клетки попадают в другие органы, где также возможно развитие опухоли. Это один из вариантов развития событий.

Другой путь — опухоль не повреждает кровеносные сосуды и при этом никак себя не проявляет. Однако занимает большой объем внутри органа, в результате чего нарушается процесс мочеотделения. Третий вариант — опухоль прорастает в глубжележащие ткани, например, в мышечную, и нарушает ее функции, что также ухудшает выведение мочи. При втором и третьем варианте диагностика опухоли будет затруднена, так как нарушение функций мочевого пузыря будет проявляться только на поздних стадиях развития рака. Кроме того, рак может развиваться и другими способами, кроме приведенных.

Откуда берутся злокачественные клетки?

— Интересно, что процесс мутации клеток в раковые в нашем организме происходит постоянно. Однако этот процесс контролируется нашей иммунной системой, так как злокачественная клетка является антигеном — чужеродным веществом, которое необходимо уничтожить. Предрасположенность к мутации клеток передается на генетическом уровне, — рассказывает Сергей Солодников.
Механизм развития рака в настоящее время продолжают изучать. Установлены вещества, способные «испортить» здоровые клетки и трансформировать их в опухоль. Они называются канцерогенами и содержатся в табачном дыме, алкоголе, многократно используемом растительном масле при обжаривании, например, котлет или пирожков, в различных растворителях и т.д.

В некоторых случаях опухоль развивается, когда иммунитет перестает справляться с постоянно формирующимися раковыми клетками. К иммунной депрессии может привести стресс, хроническое недосыпание, вредные привычки, несбалансированное питание. Важную роль играет состояние экологии, угнетают иммунитет смог и промышленные выбросы в воздухе, некачественная вода. В ослабленном состоянии защитная система организма может находиться из-за заболеваний, например, лучевой болезни, иммунодефицитов, вирусных заболеваний отдельных органов, например, мочеполовой системы, и др.

Как обнаружить рак?

— Онкозаболевания часто диагностируются на поздних стадиях, когда помочь больному очень тяжело или просто невозможно. И поэтому одним из основных способов заподозрить развитие рака является правильная и объективная оценка своего состояния. Например, появление быстрой утомляемости, незначительное спонтанное повышение температуры (37,0-37,2 градусов), изменение массы тела и другие симптомы на фоне длительного стресса, недосыпания, нерегулярного питания, — объясняет ученый-медик Пермского Политеха.

Следующий этап выявление онкологии — это анализы, общие и специфические. Общий и биохимический анализы крови и мочи, к сожалению, малоинформативны на первых стадиях развития онкозаболевания. Но в купе с жалобами больного это может помочь в ранней диагностике опухоли. Наиболее точная диагностика — анализы на наличие онкомаркеров: РЭА — маркер рака ЖКТ, ПСА — маркер рака предстательной железы, СА 15-3 — маркер рака молочной железы и др. Используют и аппаратные методы диагностики: рентгенологическое обследование, ультразвуковая диагностика, различные виды томографии.

Кому следует регулярно проходить обследования?

Периодически проверяться на наличие онкозаболеваний стоит каждому человеку. Особенно — если вы замечаете ухудшение самочувствия: следует обратиться к врачу и уточнить необходимость обследования.

В группе риска оказываются люди, которые систематически контактируют с канцерогенами, например, задействованные на вредном производстве. Чаще прочих специалисты советуют проверяться тем, кто имеет вредные привычки: например, если стаж табакокурения превышает пять лет, у человека возможно развитие рака легких и мочевого пузыря, в данном случае можно использовать анализы на наличие онкомаркеров или регулярно проводить аппаратные обследования — узи. Предрасположенность к развитию рака имеют люди с такими хроническими заболеваниями, как сахарный диабет, гипоацидный гастрит, хронический гепатит, панкреатит и др. График обследований необходимо обсуждать с врачом. Для людей старше 60 лет область исследований на наличие возможных онкозаболеваний зависит от анамнеза и должна быть рекомендована врачом.

Опухоль — это орган? Взгляд ученого биофизика

— Многие исследователи рассматривают раковую опухоль как орган, так как она в ходе своей эволюции приобретает структурную форму и обладает функциями и способностями к росту и распространению. Аргументы в пользу этого мнения включают в себя способность опухоли взаимодействовать с окружающей тканью, «маскироваться» от иммунной системы, создавать собственное кровоснабжение и вырабатывать сигнальные молекулы, способствующие росту опухоли и влияющие на организм в целом. В наших работах мы придерживаемся такой точки зрения, — объясняет Иван Красняков, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры прикладной физики ПНИПУ.

Как в Пермском Политехе прогнозируют развитие рака

Получать информацию из биологических систем стало возможно относительно недавно, когда ученым удалось выделить ген флуоресцентного (светящегося) белка — GFP, и встроить его в биологическую систему. Именно так получилось наблюдать в микроскоп синтез белка: изменение его концентрации, каким образом и куда он распределялся, его деградацию и т.д. Данные, полученные на основе такого наблюдения, возможно описать в виде математических выражений, — то есть представить биологический процесс в виде формул и моделей.

— Довольно большой круг лиц занимается математическим моделированием развивающихся биологических систем. А вот в области математического моделирования развития злокачественных образований выделяются следующие исследователи: Pismen L. (Хайфа, Израиль), Колобов А.В. (Москва, Россия) и команда Пермского Политеха, — рассказывает ученый-биофизик ПНИПУ.

На сегодня существует два основных подхода к разработке математических моделей онкологических заболеваний. Первый основан на механике сплошных сред, второй – дискретный подход. Дискретный подход объединяет в себе клеточные автоматы — модель, в которой состояние ячеек-клеток изменяется в зависимости от окружающих ее клеток, модели сферических частиц, вершинные модели, модели деформируемой клетки.
— Этот подход позволяет учитывать индивидуальную динамику элементов всей системы в целом. Используя дискретный подход, становится возможным исследовать процессы, присущие единичным клеткам во всей опухоли. Например, можно учитывать эпителиально-мезенхимальный переход раковых клеток — это процесс, при котором эпителиальная клетка, до этого плотно скрепленная с другими, отсоединяется и начинает перемещаться по ткани. Рассматривается также синтез белков, влияющих на способность здоровых клеток соединяться друг с другом, и др. Наша модель предполагает, что уже есть раковая клетка, которая начинает свое развитие. Работа направлена на прогнозировании архитектурной формы раковой опухоли при её развитии, — объясняет Иван Красняков.

Как это выглядит технически?

Команда ученых ПНИПУ создала модель развития карциномы — злокачественной опухоли, вырастающей из эпителиальной ткани, например, в легких, печени, почках, молочных железах. При этом карцинома бывает нескольких видов, каждый из которых имеет свою архитектурную форму. Чтобы спрогнозировать развитие опухоли, нужно в специальной программе создать модель эпителия из нескольких тысяч клеток, в котором находится одна раковая клетка. С помощью математических формул возможно определить форму клеток, их движение, положение внутри карциномы, а также обозначить различие в поведении между раковыми и здоровыми клетками. Таким образом, можно получить изображение уже развившейся карциномы и, сверив ее с фотографиями срезов различных видов опухолей, используемых Всемирной организацией здравоохранения, определить разновидность карциномы. Это ускорит постановку диагноза.

Также группой ученых ПНИПУ был разработан алгоритм, который позволяет проводить автоматическую классификацию карциномы. В теории этот алгоритм возможно применять к реальным изображениям гистологических срезов. Для этого его нужно усовершенствовать, решив трудоемкие задачи, связанные с предобработкой изображений, отмечает ученый-биофизик ПНИПУ. В медицине такие технологии внедряются и совершенствуются, они помогают врачу уменьшить время постановки правильного диагноза, что является важной задачей в клинической онкологии.