Исследование механических свойств опухолевых клеток молочной железы человека методами статистической термодинамики, количественной фазовой микроскопии и с применением алгоритмов глубокого машинного обучения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-24-00165

НазваниеИсследование механических свойств опухолевых клеток молочной железы человека методами статистической термодинамики, количественной фазовой микроскопии и с применением алгоритмов глубокого машинного обучения

Руководитель Никитюк Александр Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова Механобиология, рак молочной железы, биофизическое фенотипирование, математическое моделирование, модель клетки, статистическая термодинамика, количественная фазовая микроскопия, интерференционная микроскопия, жесткость клетки, пластичность, хрупкость, нейронные сети

Код ГРНТИ29.03.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ранняя диагностика рака увеличивает показатели безрецидивной и общей выживаемости, а также делает возможным проведение органосохраняющего лечения с полноценной медицинской и социальной реабилитацией больных злокачественным новообразованием. Многие виды рака обнаруживаются на ранних стадиях благодаря упреждающему скринингу, особенно в группах высокого риска. Однако некоторые виды рака могут развиваться бессимптомно и, таким образом, их раннее выявление становится невозможным. Основным подтверждающим методом для диагностики рака является оценка морфологических изменений при биопсии. Поэтому разработка новых высокочувствительных диагностических инструментов в дополнение к существующим является актуальной задачей повышения качества диагностики онкологических заболеваний за счет снижения субъективного фактора. Современные исследования показывают, что механические характеристики клеток эукариот являются перспективными биофизическими маркерами патологии, а методики их измерения, особенно неинвазивные, имеют потенциал стать новыми дополняющими подходами для диагностирования опухолей. Несмотря на то, что структурные и динамические свойства клеток эукариот достаточно давно и хорошо изучены, до сих пор остается неясной их связь с механикой клеток в условиях внешних воздействий. Также стоит отметить, что отсутствие механобиологических моделей клеток эукариот, отражающих статистические и термодинамические аспекты их поведения, не позволяет установить значимые параметры для последующего их экспериментального определения. Перечисленные факторы указывают на необходимость поиска теоретической интерпретации различий нераковых и раковых клеток эукариот с механической точки зрения, учитывающей их структурные и динамические свойства на основе статистико-термодинамического подхода, с целью обоснования применимости биофизических характеристик и методов к диагностике онкологических заболеваний. Проект направлен на разработку мезоскопической статистико-термодинамической модели механобиологического поведения клеток эукариот, описывающей динамические и морфологические свойства, обусловленные структурными изменениями цитоскелета, а также экспериментальное исследование механических свойств клеток эукариот различных фенотипов на основе неинвазивной техники измерений применительно к разработке новых методов диагностики опухолевых заболеваний на этапе биопсии ткани. Научная новизна исследования определяется разработкой новой математической модели клетки на основе методов статистической термодинамики с использованием теории самосогласованного поля. Данная модель позволит определять механическое поведение клетки эукариот на основе эволюционных уравнений её состояния, а также даст обоснованную трактовку преобразования клетки «в норме» в раковую в терминах фазового перехода. Кроме того, новизна работы заключается в исследовании упругих, пластических и прочностных свойств цитоскелета, измеряемых с помощью отечественного лазерного микроскопа МИМ-Н, который является неинвазивным для клетки, для поиска новых маркеров идентификации опухолевых клеток. Будет установлена связь между пространственно-временными флуктуациями клетки, ассоциирующимися с её механикой, и статистико-термодинамическими параметрами теоретической модели, характеризующими состояние клетки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на разработку мезоскопической статистико-термодинамической модели механобиологического поведения клеток эукариот, описывающей динамические и морфологические свойства, обусловленные структурными изменениями цитоскелета, а также экспериментальное исследование механических свойств клеток эукариот различных фенотипов на основе неинвазивной техники измерений применительно к разработке новых методов диагностики опухолевых заболеваний на этапе биопсии ткани. В рамках первого этапа (года) выполнения проекта получены следующие научные результаты. Установлен вид системы эволюционных уравнений состояния представительного объема клетки, учитывающая структурно-динамические и биохимические свойства актинового цитоскелета. Данные уравнения разработаны с применением аппарата статистической физики и линейной термодинамики. Система эволюционных уравнений состояния представительного объема клетки является нелинейной, сформулирована для случая малых деформаций и применима для анализа в том числе данных атомно-силовой микроскопии клеток. Установлены зависимости ориентационной части свободной энергии цитоскелета от параметра порядка при различных значениях напряжения при фиксированном значении эффективного температурного фактора. Данные зависимости указывают на возможность системы находится в устойчивом и/или метастабильном состоянии, которые определяют конфигурацию структуры цитоскелета. Обоснована возможность ориентационного фазового перехода при прогрессии клетки «в норме» в опухолевую за счет наличия метастабильного состояния, характеризующегося неоднозначной связью деформации, обусловленной ориентацией сегментов филаментов цитоскелета, и приложенного напряжения. Идентифицированы параметры предложенной статистико-термодинамической модели клетки на основе данных по механическому нагружению клеток NIH 3T3. Выполнена модернизация лазерного интерференционного микроскопа МИМ-Н за счет установки на место предметного держателя конструкции фиксации слайд-камеры с каналом, подключенной к шприцевому насосу-дозатору. Определены значения модуля сдвига и меры разупорядочения цитоскелета для клеток MCF-7, полученных по результатам экспериментов на сдвиг в проточной ячейке методом количественной фазовой микроскопии. Выполнена верификация параметров статистико-термодинамической модели клетки на основе экспериментов на сдвиг в проточной ячейке при измерении пространственно-временных флуктуаций клеток методом количественной фазовой микроскопии. Разработана методика измерений модуля сдвига и величины разупорядочения клетки эукариот с помощью методов количественной фазовой микроскопии, пригодных для теоретического анализа на основе статистико-термодинамической модели. Публикации: Никитюк А.С. Моделирование процесса нагружения клетки эукариот с постоянной скоростью на основе методов статистической термодинамики // Математическая биология и биоинформатика. – 2024. – Т. 19, №2. – С. 304–321. https://www.matbio.org/article.php?journ_id=47&id=576, DOI: 10.17537/2024.19.304 Конференции: 1. Nikitiuk A.S., Bayandin Yu.V., Naimark O.B. Statistical thermodynamics of actin filament ruptures in living cells // European Conference on Fracture 2024: Book of Abstracts, Zagreb, Croatia, August 26-30, 2024. – 2024. – Zagreb: Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, 2024. – P.17. 2. Никитюк А.С. Моделирование процесса индентирования клетки с постоянной скоростью на основе статистико-термодинамического подхода // Математическая биология и биоинформатика: Доклады Международной конференции, 14-17 октября 2024, Пущино. – Пущино: ИМПБ РАН, 2024. – Статья № e29. https://www.impb.ru/icmbb/docs/2024/29.pdf Результаты интеллектуальной деятельности: А.С. Никитюк, Ю.А. Белоглазова, О.Н. Гагарских, В.В. Гришко, О.Б. Наймарк «Программа для анализа действия доксорубицина на раковые клетки молочной железы MCF-7». – Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024615645 от 11.03.2024. https://new.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=d1436986ea438ac94e1375911bb446b2

Публикации

1. Никитюк А.С. Моделирование процесса нагружения клетки эукариот с постоянной скоростью на основе методов статистической термодинамики Математическая биология и биоинформатика, Т. 19, № 2, С. 304–321 (год публикации - 2024)
10.17537/2024.19.304

2. Никитюк А.С., Князев Н.А., Громова О.А., Бурмистрова О.С., Роготнев А.А. Исследование физических свойств клеток молочной железы человека методами статистической термодинамики, количественной фазовой микроскопии и с применением алгоритмов машинного обучения Российский журнал биомеханики, Никитюк А.С., Князев Н.А., Громова О.А., Бурмистрова О.С., Роготнев А.А. Исследование физических свойств клеток молочной железы человека методами статистической термодинамики, количественной фазовой микроскопии и с применением алгоритмов машинного обучения // Российский журнал биомеханики. – 2026. – № 2. – Принята в печать. (год публикации - 2026)

3. Никитюк А.С., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Finite deformation of the cell cytoskeleton: orientation and shear mechanisms Continuum Mechanics and Thermodynamics, Nikitiuk A. S., Bayandin Y. V., Naimark O. B. Finite deformation of the cell cytoskeleton: orientation and shear mechanisms // Continuum Mech. Thermodyn. – 2025. – Vol. 37 – P. 37-65. (год публикации - 2025)
10.1007/s00161-025-01394-9

4. Никитюк А.С., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Orientation and shear mechanisms of finite deformation of the cell cytoskeleton International Journal of Engineering Science, Nikitiuk A. S., Bayandin Y. V., Naimark O. B. Orientation and shear mechanisms of finite deformation of the cell cytoskeleton // International Journal of Engineering Science. – 2025. – Vol. 214. – P. 104306. (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijengsci.2025.104306

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на разработку мезоскопической статистико-термодинамической модели механобиологического поведения клеток эукариот, описывающей динамические и морфологические свойства, обусловленные структурными изменениями цитоскелета, а также экспериментальное исследование механических свойств клеток эукариот различных фенотипов на основе неинвазивной техники измерений применительно к разработке новых методов диагностики опухолевых заболеваний на этапе биопсии ткани. В рамках второго этапа (года) выполнения проекта получены следующие научные результаты. С помощью метода количественной фазовой микроскопии (лазерной интерференционной микроскопии) был проведён цикл экспериментов по сдвиговому нагружению эпителиальных клеток молочной железы с различным метастатическим потенциалом. Для каждой клетки измерялись пространственно-временные флуктуации оптической толщины до, в течении и после приложения постоянной нагрузки, что позволило оценить механические свойства. По фазовым изображениям были рассчитаны морфометрические характеристики, отражающие морфологические особенности как нормальных, так и опухолевых клеток, среди которых наиболее подходящим для классификации клеток с различным метастатическим потенциалом оказался коэффициент асимметрии. Вместе с этим выполнена математическая обработка временных флуктуаций с помощью метода мультифрактального анализа, что позволило выявить динамические особенности, характерные для опухолевых клеток с низким метастатическим потенциалом. На основании экспериментальных данных проведена верификация разработанной статистико-термодинамической модели механического поведения клетки. Определены характерные значения параметров модуля сдвига, диссипации энергии и наклона степенного закона ползучести деформации. На их основе определен новый механический параметр индекс агрессивности, на основе которого корректно определяется метастатический потенциал клеток. Это подтвердило состоятельность теоретической модели и её применимость для описания механотипа клеток различного онкологического статуса. Также был разработан алгоритм классификации клеток по их фазовым изображениям на базе сверточной компактной нейронной сети. В результате трансферного обучения и точной настройки на размеченной базе модель продемонстрировала высокие показатели чувствительности, специфичности и точности при классификации нормальных и опухолевых клеток, включая линии с низким и высоким метастатическим потенциалом. Независимое тестирование подтвердило устойчивость и надёжность классификации. Показано, что совокупная оценка на основе алгоритмов глубокого машинного обучения, индекса агрессивности и асимметрии фазовых изображений формирует взаимодополняющую и информативную систему клеточной классификации по признаку метастатического потенциала. Публикации: 1. Nikitiuk A. S., Bayandin Y. V., Naimark O. B. Orientation and shear mechanisms of finite deformation of the cell cytoskeleton //International Journal of Engineering Science. – 2025. – Vol. 214. – P. 104306. WoS – Q1 (JCR IF – 5.7), Scopus – Q1 (CiteScore IF: 9.8) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002072252500093X DOI: 10.1016/j.ijengsci.2025.104306 2. Nikitiuk A. S., Bayandin Y. V., Naimark O. B. Finite deformation of the cell cytoskeleton: orientation and shear mechanisms // Continuum Mech. Thermodyn. – 2025. – Vol. 37 – P.65. WoS – Q2 (JCR IF – 2.2), Scopus – Q2 (CiteScore IF: 5.2) https://link.springer.com/article/10.1007/s00161-025-01394-9 DOI: 10.1007/s00161-025-01394-9 3. Никитюк А.С., Князев Н.А., Громова О.А., Бурмистрова О.С., Роготнев А.А. Исследование физических свойств клеток молочной железы человека методами статистической термодинамики, количественной фазовой микроскопии и с применением алгоритмов машинного обучения // Российский журнал биомеханики. – 2026. – № 1. Scopus – Q3 (CiteScore IF: 1.6) – Принята в печать. Конференции: 1. XXIV Зимняя школа по механике сплошных сред (Всероссийская); 24 – 28 февраля 2025; г. Пермь, Россия; секционные доклады - Никитюк А.С., Князев Н.А.; ссылка на Программу конференции в информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» – https://conf.icmm.ru/event/39/attachments/221/746/program_v3.pdf 2. XXIV Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС–24), посвященная 100-летию со дня рождения Е.А. Турова; 14– 20 марта 2025; г. Екатеринбург, Россия; пленарный доклад – Никитюк А.С.; ссылка на Программу конференции в информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» - https://spfks.imp.uran.ru/sites/default/files/upload/program_spfks-24_predvaritelnaya.pdf Результаты интеллектуальной деятельности: 1. Князев Н.С., Никитюк А.С. «Программа для определения деформационного поведения культуральных опухолевых клеток при мгновенном нагружении с последующей выдержкой». – Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025661489 от 14.05.2025. Информация о проекте представлена на официальной веб-странице: https://rscf.ru/en/project/24-24-00165/.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты выполненного проекта обладают значительным потенциалом практического применения и могут быть использованы в экономике и социальной сфере Российской Федерации. В первую очередь, они формируют научно-технологический задел для модернизации и создания новых отечественных приборов биомедицинской диагностики. Разработанная статистико-термодинамическая модель механического поведения клеток, методики количественной обработки интерференционных данных, а также алгоритмы автоматизированной классификации клеток на основе глубокого обучения могут быть интегрированы в программное обеспечение серийно выпускаемых лазерных интерференционных микроскопов, таких как МИМ-Н и МИМ-340, производства АО «Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод" имени Э.С. Яламова». Это позволит усовершенствовать существующую продукцию, добавив к ней новые диагностические функции, направленные на автоматическую оценку метастатического потенциала опухолевых клеток и анализ их механобиологических свойств. Таким образом, результаты проекта напрямую способствуют импортозамещению и повышению конкурентоспособности российской высокотехнологичной продукции на рынке научного и медицинского оборудования. С социальной точки зрения внедрение разработанных методик и программных решений создает предпосылки для развития новых неинвазивных подходов в ранней диагностике онкологических заболеваний и персонализированной оценке эффективности терапии. Это может способствовать повышению качества медицинской помощи, сокращению времени на постановку диагноза и, как следствие, улучшению социального благополучия граждан. Кроме того, формируется основа для подготовки высококвалифицированных кадров в области биомедицинской инженерии, физики живых систем и анализа данных, что отвечает стратегическим задачам развития человеческого капитала. Сформированный научный задел открывает возможности для дальнейших исследований в рамках государственных программ, в том числе в области космической биологии и медицины, где предлагаемые методы могут быть адаптированы для экспериментов в условиях микрогравитации. Проект также создает основу для подачи заявок на внебюджетное и грантовое финансирование, например, в Фонд содействия инновациям, что обеспечит преемственность исследований и их трансляцию в реальный сектор экономики. В совокупности реализация потенциала результатов проекта будет способствовать технологическому суверенитету, экономическому росту за счет развития наукоемких отраслей и решению социально значимых задач в сфере здравоохранения.