Синергия наук в ТПУ: как математика приближает открытия в медицине

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.

"Синергия математики и медицины может дать большой вклад как в развитие всего общества, так и в сохранение здравоохранения. Хочу пожелать всем успешной работы, надеюсь, что у нас с вами будет возможность обменяться контактами, обсудить интересные исследования, поделиться результатами и успешными практиками, и это будет весомый вклад в наше общее дело", – сказал Яковлев участникам.

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".

Ее объект исследований – ячеистые металлоконструкции медицинского применения, полученные аддитивным методом электронно-лучевого плавления.

"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.