Рак желудка входит в число наиболее распространённых злокачественных опухолей во всём мире как по заболеваемости, так и по смертности. Его ранние симптомы бывают нетипичны, а диагностика часто проводится на поздних стадиях, что приводит к низким показателям излечения и неблагоприятному прогнозу. Поэтому изучение и выявление ранних признаков развития рака желудка имеет большое значение для диагностики и лечения, сообщает научное издание EurekAlert!.
В последние годы достижения в области системной биологии и статистической физики позволили разработать новые подходы к моделированию и прогнозированию сложных заболеваний. В частности, сети регуляции генов, являющиеся ключевыми механизмами поддержания и перехода клеток в стабильные фенотипические состояния, содержат обширную динамическую информацию.
Традиционные исследования в основном фокусируются на статических различиях в экспрессии генов, которых недостаточно для выявления критических динамических изменений в процессе развития заболевания. В этом исследовании, основанном на неравновесной статистической физике, строится регуляторная сеть ключевых генов, связанных с раком желудка, и применяются такие теоретические инструменты, как потенциальный ландшафт и стационарный поток вероятностей, для количественной оценки динамической стабильности системы и процессов рассеивания энергии.
Путем моделирования переходов между состояниями при различных мутациях или уровнях регуляции были выявлены индикаторы раннего предупреждения, такие как скорость производства энтропии, средний поток, критическое замедление и мерцание. Это исследование предлагает новый подход к анализу механизмов развития рака желудка и его ранних диагностических признаков с динамической точки зрения, а также предоставляет методологическую основу для создания клинических систем раннего предупреждения.
Используя теории неравновесного потенциального ландшафта и стационарного потока вероятностей, а также такие показатели, как скорость производства энтропии и средний поток, полученные на основе данных об экспрессии генов в виде временных рядов, ученые выявили ранние признаки развития рака желудка.
Результаты моделирования показывают, что изменения в регуляторной силе TGF-β приводят к переходам в стационарной структуре системы. «Количественно оценивая изменения в ряде неравновесных динамических показателей, мы точно определяем ключевые динамические особенности, предшествующие переходу в стационарное состояние. Эти показатели систематически проясняют физические механизмы, лежащие в основе формирования ракового состояния, и обеспечивают надёжную теоретическую основу для ранней диагностики», — пояснили ученые.
Хотя средний поток и скорость производства энтропии могут служить количественными показателями сигналов раннего предупреждения в системе диффузного рака желудка, их сложно измерить в клинической практике. Чтобы решить эту проблему, авторы рассчитали разницу между прямой и обратной двухгенными кросс-корреляционными функциями на основе смоделированных траекторий экспрессии генов, чтобы количественно оценить необратимость времени и тем самым охарактеризовать неравновесную динамику системы.
Такой подход позволяет эффективно количественно оценивать неравновесное поведение раковых систем без необходимости прямого измерения среднего потока, что позволяет преодолеть практические ограничения, связанные с определением этих показателей. Статья опубликована в журнале Quantitative Biology.
[Фото: ru.123rf.com]
