Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Светлицына Н. А., Тучин В. В., Семенова Н. И. Моделирование влияния осмотического давления на рост раковых клеток: роль размера области и длительности воздействия // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 374-383. DOI: 10.18500/1817-3020-2024-24-4-374-383, EDN: CIRYXU

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
25.12.2024
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 35)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182:616.5:616.006
EDN: 
CIRYXU

Моделирование влияния осмотического давления на рост раковых клеток: роль размера области и длительности воздействия

Авторы: 
Светлицына Надежда Артуровна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Тучин Валерий Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Семенова Надежда Игоревна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Одним из новых и эффективных методов лечения рака кожи и других пролиферативных заболеваний, таких как псориаз, является фототерапия, при этом из-за многократного рассеяния воздействующих световых волн существует проблема ограничения проникновения излучения в глубину ткани. Эту проблему можно решить с помощью введения оптических просветляющих агентов, многие из которых являются гиперосмотическими. В свою очередь, действие гиперосмотических агентов может вызывать побочные эффекты, обусловленные возникновением дополнительного внешнего давления, которое может как увеличивать, так и уменьшать скорость пролиферации раковых клеток. В данной работе проводится численное моделирование двумерной модели слоя эпидермальных клеток на базальной мембране в условиях воздействия дополнительного внешнего давления. Исследуется влияние размера области локализации дополнительного давления, его величины и длительности воздействия на пролиферацию раковых клеток в области бинарной поверхности, состоящей из здоровых и раковых клеток. Определены параметры, при которых происходит замедление скорости пролиферации раковых клеток. Показано, что наиболее выраженное замедление происходит при введении дополнительного давления 2 кПа в области 1×1 мм (размер всей системы 2×2 мм). Исследования проводились при двукратном и пятикратном увеличении давления в выбранной области (2 кПа и 5 кПа). Также рассматриваются влияние момента введения дополнительного давления и его длительность.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения государственного задания (проект № FSRR-2023-0007).
Список источников: 
  1. Wang Ch., Zeng Y., Chen K.-F., Lin J., Yuan Q., Jiang X., Wu G., Wang F., Jia Y.-G., Li W. A self-monitoring microneedle patch for light-controlled synergistic treatment of melanoma // Bioactive Materials. 2023. № 27. P. 58–71. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.03.016
  2. Apalla Z., Nashan D., Weller R. B., Castellsague X. Skin cancer: Epidemiology, disease burden, pathophysiology, diagnosis, and therapeutic approaches // Dermatol. Ther. 2017. Vol. 7. P. 5–19. https://doi.org/10.1007/s13555-016-0165-y
  3. Lo J. A., Fisher D. E. The melanoma revolution: From UV carcinogenesis to a new era in therapeutics // Science. 2014. Vol. 346, № 6212. P. 945–949. https://doi.org/10.1126/science.1253735
  4. Saginala K., Barsouk A., Aluru J. S., Rawla P., Barsouk A. Epidemiology of melanoma // Med. Sci. 2021. Vol. 9, № 63. https://doi.org/10.3390/medsci9040063
  5. Бахарева Ю. О., Тараканова В. О., Рубаняк М. Ю., Каменских Е. М. Меланома кожи (C43): анализ тенденций заболеваемости и смертности в свете пандемии COVID-19, молекулярная эпидемиологи // Вопросы онкологии. 2023. Т. 69, № 4. С. 631–638. https://doi.org/10.37469/0507-3758-2023-69-4-631-638
  6. Schadendorf D., Berking C., Griewank K. G., Gutzmer R., Hauschild A., Stang A., Roesch A., Ugurel S. Melanoma // The Lancet. 2018. Vol. 392. P. 971–984. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(18)31559-9
  7. Poklepovic A. S., Luke J. J. Considering adjuvant therapy for stage II melanoma // Cancer. 2020. Vol. 12, № 6. P. 116–1174. https://doi.org/10.1002/cncr.32585
  8. Shirzadfar H., Riahi S., Ghaziasgar M. S. Cancer imaging and brain tumor diagnosis // Journal of Bioanalysis & Biomedicine. 2017. Vol. 9, № 1. https://doi.org/10.4172/1948-593X.1000e149
  9. Shirzadfar H., Khanahmadi M. Current approaches and novel treatment methods for cancer and radiotherapy // International Journal of Biosensors & Bioelectronics. 2018. Vol. 4, № 5. P. 224–229. https://doi.org/10.15406/ijbsbe.2018.04.00131
  10. Blackadar C. B. Historical review of the causes of cancer // World J Clin Oncol. 2016. Vol. 7, № 1. P. 54–86. https://doi.org/10.5306/wjco.v7.i1.54
  11. Li Q., Lei X., Zhu J., Zhong Y., Yang J., Wang J., Tan H. Radiotherapy/Chemotherapy-Immunotherapy for Cancer Management: From Mechanisms to Clinical Implications // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2023. Vol. 22. P. 1–9. https://doi.org/10.1155/2023/7530794
  12. Tandle A., Blazer D., Libutti S. Antiangiogenic gene therapy of Cancer: Recent developments // Journal of Translational Medicine. 2024. Vol. 2, № 22. https://doi.org/10.1186/1479-5876-2-22
  13. Kuznetsov M., Kolobov A. Antiangiogenic Therapy Efficacy Can Be Tumor-Size Dependent, as Mathematical Modeling Suggests // Mathematics. 2024. № 12. P. 353 (1–15). https://doi.org/10.20944/preprints202312.1177.v1
  14. Kong C., Chen X. Combined Photodynamic and Photothermal Therapy and Immunotherapy for Cancer Treatment: A Review // International Journal of Nanomedicine. 2022. Vol. 17. P. 6427–6446. https://doi.org/10.2147/IJN.S388996
  15. Тучина Д. К., Меерович И. Г., Синдеева О. А., Жердева В. В., Казачкина Н. И., Соловьев И. Д., Савицкий А. П., Богданов мл. А. А., Тучин В. В. Перспективы мультимодальной визуализации биологических тканей с использованием флуоресцентного имиджинга // Квантовая электроника. 2021. Т. 51, № 2. С. 104–117.
  16. Tuchin V. V., Zhu D., Genina E. A. Handbook of Tissue Optical Clearing: New Prospects in Optical Imaging. Boca Raton, FL : Taylor & Francis Group LLC ; CRC Press, 2022. 688 p.
  17. Ye Y., Lin J. Fingering Instability Accelerates Population Growth of a Proliferating Cell Collective // Physical Review Letters. 2024. № 132. P. 018402 (1–7). https://doi.org/10.1101/2023.05.28.542614
  18. Helmlinger G., Netti P., Lichtenbeld H., Melder R., Jain R. Solid stress inhibits the growth of multicellular tumor spheroids // Nat. Biotechnol. 1997. Vol. 15. P. 778–783. https://doi.org/10.1038/nbt0897-778
  19. Alessandri K., Sarangi B. R., Gurchenkov V. V., Sinha B., Kießling T. R., Fetler L., Rico F., Scheuring S., Lamaze C., Simon A. Cellular capsules as a tool for multicellular spheroid production and for investigating the mechanics of tumor progression in vitro // Proc. Natl. Acad. Sci. 2013. Vol. 110, № 37. P. 14843–14848. https://doi.org/10.1073/pnas.1309482110
  20. Delarue M., Hartung J., Schreck C. F., Gniewek P., Hu L., Herminghaus S., Hallatschek O. Self-driven jamming in growing microbial populations // Nat. Phys. 2016. Vol. 12, № 8. P. 762–766. https://doi.org/10.1038/nphys3741
  21. Rizzuti F., Mascheroni P., Arcucci S., Ben-M’eriem Z., Prunet A., Barentin C., Rivi‘ere C., Delanoë-Ayari H., Hatzikirou H., Guillermet-Guibert J., Delarue M. Mechanical control of cell proliferation increases resistance to chemotherapeutic agents // Phys. Rev. Lett. 2020. Vol. 125, № 12. P. 128103 (1–7). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.128103
  22. Alric B., Formosa-Dague C., Dague E., Holt L., Delarue M. Macromolecular crowding limits growth under pressure // Nat. Phys. 2022. Vol. 18, № 4. P. 411–416. https://doi.org/10.1038/s41567-022-01506-1
  23. Liedekerke P. V., Neitsch J., Johann T., Alessandri K., Nassoy P., Drasdo D. Quantitative cell-based model predicts mechanical stress response of growing tumor spheroids over various growth conditions and cell lines // PLoS Comput. Biol. 2019. Vol. 15. P. e1006273 (1–44). https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006273
  24. Nürnberg E., Vitacolonna M., Klicks J., von Molitor E., Cesetti T., Keller F., Bruch R., Ertongur-Fauth T., Riedel K., Scholz P., Lau T., Schneider R., Meier J., Hafner M., Rudolf R. Routine optical clearing of 3d-cell cultures: Simplicity forward // Frontiers in Molecular Biosciences. 2020. Vol. 7. P. 1–19. https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00020
  25. Gunasingh G., Browning A., Haass N. Rapid optical clearing for high-throughput analysis of tumour spheroids // Preprints. 2022. Vol. 186. P. 1–8. https://doi.org/10.20944/preprints202111.0488.v1
  26. Gayathri K., Puja L., Sebastian J., Sivakumar K., Mishra R. Understanding the combined effects of high glucose induced hyper-osmotic stress and oxygen tension in the progression of tumourigenesis: From mechanism to anti-cancer therapeutics // Cells. 2023. Vol. 12, № 6. P. 825 (1–30). https://doi.org/10.3390/cells12060825
  27. Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическое моделирование в биофизике. М. ; Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2003. 402 c.
  28. Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М. : Наука, 1984. 304 с.
  29. Hoshino T., Liu M.-W., Wu K.-A., Chen H.-Y., Tsuruyama T., Komura S. Pattern formation of skin cancers: Effects of cancer proliferation and hydrodynamic interactions // Phys. Rev. E. 2019. Vol. 99, № 3. P. 032416. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.032416
  30. Семенова Н. И., Тучин В. В. Влияние осмотического давления на раковые клетки в трехмерной клеточной решетке и клеточном сфероиде // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2021. Т. 29, № 4. С. 559–570. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2021-29-4-559-570
  31. Semenova N., Tuchin V. V. 3D models of the dynamics of cancer cells under external pressure // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2021. Vol. 31, № 8. P. 083122 (1–8). https://doi.org/10.1063/5.0056764
  32. Svetlitsyna N., Semenova N., Tuchin V. V. Conditions of acceleration and deceleration of the cancer cell growth under osmotic pressure // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2024. Vol. 34, № 2. P. 0211024 (1–6). https://doi.org/10.1063/5.0189550
  33. Программа для моделирования роста меланомы на двумерной поверхности эпидермиса в условиях осмотического и механического давления. Семенова Н. И., Светлицына Н. А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023665951. Заявка № 2023665233. Дата поступления 23.07.2023. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 24 июля 2023 г.
  34. Phototherapy for Psoriasis [сайт]. URL: https:/ /www. psoriasis.org/phototherapy/ (дата обращения: 29.06.2024).
  35. Selifonov A., Selifonova E., Tuchin V. V. Effect of e-liquid on the optical properties of the gingival mucosa: Ex vivo studies // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2023. Vol. 29, iss. 4. P. 7100808 (1–8). https://doi.org/10.1109/JSTQE.2023.3259244
Поступила в редакцию: 
08.07.2024
Принята к публикации: 
15.10.2024
Опубликована: 
25.12.2024