ТОМСК, 31 мая – РИА Томск. Эксперты из вузов, институтов, лабораторий разных регионов России обсудили математику в медицине – на площадке Томского политеха (ТПУ) прошла одноименная конференция. Как математическое моделирования приближает создание уникальных лекарств и хирургических имплантатов – в материале РИА Томск.
Секретные свойства
Конференция "Математика в медицине" завершилась в эти выходные, она была организована Томским политехническим университетом и Региональным научно-образовательным математическим центром Томского госуниверситета. Временно исполняющий обязанности ректора ТПУ Андрей Яковлев (математик по специальности, кстати) выразил надежду, что она станет регулярной.
Именно математическое моделирование ускоряет сегодня работу ученых, ведущих исследования в околомедицинских областях. Так, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Константин Бразовский рассказал, как его команда ищет перспективные органические соединения природного происхождения, которые могут использоваться как иммуномодуляторы.
"Иммунная система млекопитающего, в том числе человека, очень многозвенная, многокомпонентная. Это сложнейшие метаболические сети, включающие десятки тысяч компонентов. Поэтому когда мы слышим о том, что то или иное соединение обладает иммунотропной активностью, то первый вопрос – на каком уровне? Это принципиальнейший момент", – сказал он.
По словам Бразовского, особенно эта проблема характерна для соединений природного происхождения, у которых нет четко установленной химической структуры, и их очень сложно стандартизовать по биологическим эффектам.
"В результате, как правило, такие компоненты выпускаются в форме биологически активных добавок. С одной стороны, многие из них на самом деле имеют выраженный биологический эффект. С другой – довольно часто возникают ситуации, что применение даже простых, казалось бы, известных всем смесей, экстрактов, вытяжек из растительного сырья приводят к развитию серьезных патологических состояний", – рассказал Бразовский.
Ученые Томского политеха в сотрудничестве с МГУ, НИИ фармакологии, Томским национальным исследовательским медицинским центром и СибГМУ (инициатор и головная организация проекта) сконцентрировались, в частности, на исследовании гуминовых кислот природного происхождения. Они извлекаются из торфа. Предполагаемая (усредненная) химическая формула – С187H186О89N9S1. По сути, вся органическая химия собрана в одной молекуле...
"Для Томской области это особенно интересно – у нас есть Васюганское болото, одно из самых больших в мире, мы можем извлекать из торфа очень ценные соединения, в том числе для лекарственных основ. Пока он используется исключительно в двух целях – из него делают либо удобрение для почвы, либо БАДы с не совсем понятными свойствами", – рассказал Бразовский.
Гуминовые кислоты, извлеченные из торфа, способны вызывать увеличение продукции монооксида азота в макрофагах (клетках-"мусорщиках" в организме), и это по сути конечный этап иммунного ответа. Но вопрос в том, как именно возникают биологические эффекты?
Ученые попытались ответить на него с помощью различных инструментов, в том числе математического моделирования. Например, QSAR (QuantitativeStructure-ActivityRelationship), который позволяет строить модели, предсказывающие свойства соединений по их химическим структурам.
И хотя пока коллектив не продвинулся в понимании того, какие механизмы отвечают за формирование иммунотропных свойств, сделано несколько интересных открытий. Например, выяснилось, что в процессе синтеза макрофагом монооксида азота важную роль имеет присутствие железа.
"В результате исследования оказалось, что малое изменение количества железа – не в разы, а всего лишь в микромолях на литр – приводит к очень большим изменениямконцентрации монооксида азота. В норме в живом организме железа много, и большие концентрации железа стабилизируют продукцию монооксида азота. Малая приводит к тому, что система становится неустойчивой", – пояснил Бразовский.
То, что скрыто от эксперимента
Математическое моделирование сейчас является привычным инструментом для ведущих научных коллективов политеха. Так, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра (НИЦ) "Физическое материаловедение и композитные материалы" ТПУ Мария Сурменева подчеркнула: "Появление аддитивных технологий привело к широкому распространению цифровых технологий в области проектирования, моделирования и расчетов".
"Пористый имплантат наиболее перспективен для применения в медицине – он является проницаемым. Существует такая проблема – экранирование напряжения: когда имплантат плотный, у него модуль Юнга и все механические свойства выше, чем у костной ткани, поэтому при движении человека имплантат берет на себя больше нагрузку", – пояснила Сурменева.
Для моделирования механизмов деформации и разрушения цилиндров, из которых состоит имплантат, ученые использовали программный продукт Ansys Multiphysics (его применяют для математического моделирования многие известные предприятия). Благодаря этому удалось найти области наибольшего напряжения и причину их возникновения, а также оптимальный способ обработки материала.
"Чтобы избежать концентратов напряжения, мы решили создать изделие, где нет углов. Сначала модель была выполнена в математике, затем мы уже напечатали изделие. Потом оно было протестировано при помощи компьютерной томографии", – сказала Сурменева, подчеркнув, что впоследствии их коллектив намерен создать полный эквивалент костной ткани по механическим свойствам.
Старший научный сотрудник НИЦ "Физическое материаловедение и композитные материалы" Ирина Грубова добавила, что одно из направлений работы коллектива – прогнозирование составов порошков, оптимальных для данных целей.
"На основе исследований, которые проводились в нашей научной группе, был выбран сплав на основе бета-титана (β-Ti), с различным содержанием ниобия. Сейчас очень популярным становится иерархический подход моделирования материалов на мезо-, нано-, микроуровнях. Наша задача – провести выбор концентрации ниобия, который нам в итоге даст стабильную бета-фазу и низкий модуль Юнга", – сообщила она.