Онкологические заболевания – это одна из ведущих причин смертности во всем мире. По данным ВОЗ, примерно треть смертей от рака связаны с воздействием негативных факторов среды обитания и образом жизни людей. Загрязнение окружающей среды токсичными веществами, тяжелыми металлами и прочими химическими соединениями значительно повышает риск возникновения раковых опухолей. Поэтому при онкологических исследованиях необходимо учитывать воздействие таких условий для создания эффективных стратегий по профилактике и лечению рака.
Ученые Пермского Политеха разработали подход на основе моделирования процессов развития раковых опухолей, учитывающий работу кровеносной, эндокринной и иммунной систем при воздействии химических факторов. Метод позволяет осуществлять математическое прогнозирование того, как внешнее воздействие (например, алюминия) сказывается на организме человека и как это влияет на механизмы образования онкологических заболеваний.
Математическая модель представлена в виде системы, состоящей из 19 уравнений, которые описывают динамику изменения концентрации аномальных клеток, включая процессы их образования, уничтожения и нейтрализации антителами. Также модель учитывает поступление питательных веществ, влияющих на рост опухоли, и механизм формирования новых кровеносных сосудов под действием выделяемых раковыми клетками ферментов.
– На основе виртуального образца почечной ткани с помощью нашей модели смоделирована ситуация, демонстрирующая развитие опухоли после воздействия разной концентрацией алюминия. Для этого были заданы случайные параметры, которые характеризуют процессы образования аномальных клеток: скорость их деления, время жизни, максимальную плотность образуемой ткани и потребление питательных веществ. Модель позволила отследить динамику роста и развития раковой опухоли в зависимости от различных уровней воздействия алюминия, – объясняет Владимир Чигвинцев, научный сотрудник кафедры математического моделирования систем и процессов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Развитие онкологических заболеваний в организме во многом определяется случайным процессом возникновения и мутации раковых клеток. Исследование ученых показало, что заболевание может протекать по различным сценариям в зависимости от длительности и интенсивности воздействия алюминия, а также от реакции защитных систем организма. Так, моделирование на примере почечной ткани показало, что суточная доза металла 0,4 (мг/кг веса человека) приводит к минимальному повреждению иммунной системы, которая в итоге справится с уничтожением раковых клеток без явных симптомов заболевания. Однако при значительном поражении иммунитета, вызванного дозой 40 (мг/кг веса человека), происходит неограниченное деление раковых клеток, приводящее к росту опухоли до критических размеров и появлению метастазов.
Ученые отмечают, что результаты расчетов показывают качественное соответствие динамики роста опухоли, предсказанной моделью, с реальными клиническими данными пациентов. Использование разработанной модели позволяет анализировать множество сценариев и определить, какие внешние условия и как именно влияют на развитие опухоли. В дальнейшем полученные результаты могут использоваться для разработки новых стратегий по предотвращению и лечению рака.
Предложенный подход ученых ПНИПУ прогнозирует влияние химических факторов на характер онкологического заболевания, также способствует разработке эффективных мер по их предотвращению и улучшению качества жизни населения, проживающего на территориях с неблагоприятным состоянием среды обитания.
Статья с результатами опубликована в журнале «Анализ риска здоровью». Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ по фундаментальным научным исследованиям.