Заведующий лабораторией: к.ф.-м-.н. Андреев Сергей Григорьевич
Телефон отдела:+7(495) 939-7194
Почта:andreev_sg@mail.ru
Комната:201
Основные публикации лаборатории математической биофизики с 2020 года (перейти)
Последнее десятилетие научная тематика лаборатории математической биофизики концентрируется вокруг следующих основных направлений: механизмы радиационных биологических эффектов (молекулярный, клеточный, организменный уровень), биомедицинские информационные технологии, принципы и механизмы 3D-организации генома.
Среди традиционных направлений исследований радиобиологической тематики (микродозиметрия, структура треков ионизирующих частиц, радиационная биофизика ДНК и хроматина, моделирование радиационных повреждений ДНК и их репарации, закономерности хромосомных аберраций и др.) следует отметить достижения последних лет, связанные с изучением механизмов индуцированной ионизирующей радиацией нестабильности хромосом (РИНХ) и генома (РИНГ). Нестабильность генома рассматривается как важнейший «индикатор» состояний клетки, показывающих предрасположенность клеток к переходу на путь злокачественного развития. Нестабильность генома в раковых клетках может приводить к генерации стволовых раковых клеток, которые являются опухоль-образующими. Поэтому исследование механизмов РИНХ/РИНГ имеет большое значение в биологии и медицине. К важнейшим научным достижениям этого направления можно отнести: создание первой и единственной на настоящий момент теории и компьютерной модели РИНХ, объясняющей совокупность имеющихся экспериментальных данных и позволяющей прогнозировать эффекты нестабильности хромосом; цикл экспериментальных исследований механизмов РИНХ/РИНГ при облучении клеток в культуре и организма.
Разработанная модель РИНХ учитывает комплекс основных событий и процессов, которые ответственны за дестабилизацию структуры хромосом и возникновение хромосомных аберраций и геномных перестроек в различные сроки после облучения. В любых радиационных исследованиях одной из важнейших характеристик является вид зависимости доза-эффект. Компьютерные эксперименты приводят к двум фундаментальным выводам: о существенном изменении дозовой зависимости РИНХ со временем и принципиально новому объяснению феномена независимости эффекта от дозы для РИНХ, обусловленному динамикой генерации и элиминации повреждений ДНК в потомках и не связанному с сигнальными межклеточными взаимодействиями, как традиционно полагают сейчас (Ю.А. Эйдельман, С.В. Сланина, В.С. Пятенко, С.Г. Андреев).
Нестабильность хромосом и генома изучались экспериментально на различных уровнях. Исследования проводились как на клеточных моделях invitro, так и invivo, при облучении целого организма. В исследованиях invitro получены новые данные, показывающие, что при определенных условиях РИНХ не убывает, а возрастает со временем деления клеток в культуре и этот феномен не связан с их пролиферативным старением. Эти данные указывают на возможность нового механизма РИНХ, не сводящегося к репликации ДНК (В.С. Пятенко, Ю.А. Эйдельман, С.Г. Андреев)
Сотрудники лаборатории математической биофизики (2019 год). Сидят (слева направо): Светлана Виктровна Сланина, Алина Владимировна Алещенко, Анна Викторовна Кузнецова; стоят (слева направо): Илья Викторович Сальников, Сергей Григорьевич Андреев, Юрий Александрович Эйдельман.
Для выяснения закономерностей РИНГ при облучении in vivo на уровне организма человека изучались молекулярно-клеточные и цитогенетические проявления нестабильности в лимфоцитах крови людей, получивших радиационное воздействие более 20 лет назад, ликвидаторов аварии на ЧАЭС, и у контрольных индивидуумов. Особенность использованного подхода состоит в одновременной сравнительной оценке изменений, инициированных много лет назад облучением в малой дозе в стволовых клетках – предшественниках лимфоцитов. Возникшие после облучения в стволовых клетках изменения сохраняются долго, о чем свидетельствует нестабильность генома, проявляющаяся через десятки лет после облучения. Были обнаружены повреждения генетического аппарата лимфоцитов: возрастание частоты клеток с микроядрами, повышение частоты аберраций хромосомного типа, возрастание уровня двунитевых разрывов ДНК. По содержанию гистона гамма-H2AX, способности к репарации двойных разрывов, чувствительности к дополнительному облучению, способности к индуцированной адаптивной реакции лимфоциты ликвидаторов и контрольных людей не различаются. Изучение оксидативного статуса, содержания активных форм кислорода (АФК) обнаружило высокую степень индивидуальной вариабельности. В среднем в нестимулированных лимфоцитах ликвидаторов содержание АФК достоверно ниже, чем в контроле. По содержанию супероксид-анион радикала лимфоциты ликвидаторов и доноров контрольной группы не различаются. У облученных индивидуумов изменен иммунный статус: возрастает доля естественных киллеров, повышена численность субпопуляции регуляторных и активированных Т-лимфоцитов, готовность к апоптозу, снижена фагоцитарная активность. Важные результаты были получены при изучении способности лимфоцитов облученных и контрольных индивидуумов к активации (стимуляции): способность лимфоцитов крови к ранней активации (маркер CD69+) у ликвидаторов снижена. Были проанализированы коррелятивные связи между всеми изученными показателями. У ликвидаторов выявлена связь между повреждениями генома (частотой клеток с микроядрами, с хромосомными аберрациями, уровнем двойных разрывов ДНК) и содержанием регуляторных, цитотоксических лимфоцитов и натуральных киллеров. По-видимому, нестабильность генома в стволовых клетках приводит к целому ряду нарушений в лимфоцитах крови, к нарушениям связей между показателями иммунного статуса. У ликвидаторов обнаружено отсутствие коррелятивных связей между концентрацией АФК и долей регуляторных и активированных Т-лимфоцитов, с готовностью к апоптозу и с фагоцитарной активностью макрофагов. Подобные исследования нестабильности генома человека, проявляющейся через много лет после радиационного воздействия в лимфоцитах крови с использованием комплекса показателей, установлением коррелятивных связей между всеми исследованными параметрами, выполнены впервые (А.М. Серебряный, А.В. Алещенко).
Доктор химических наук, профессор Александр Маркович Серебряный
Еще одно традиционное для лаборатории направление работ - разработка новых информационных технологий на основе анализа биомедицинских и геномных данных. Совместно с Вычислительным Центром РАН были разработаны новые методы исследования взаимосвязей в сложных объектах. С их помощью (в сотрудничестве с Российским Научно-Клиническим Геронтологическим Центром) осуществлен поиск коррелятивных связей тяжести заболевания с полиморфизмом некоторых генетических факторов, а также клиническими и биохимическими показателями. Выявлены основные предиктивные факторы риска развития транзиторной ишемической атаки: показатели липидного спектра, показатели клеточного состава крови, биохимические показатели, тип гиперлипидемии, II-III стадии хронической ишемии головного мозга, электрокардиографические признаки гипертрофии левого желудочка, признаки диффузных изменений щитовидной железы при ультразвуковом исследовании. Совместно с НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина были выявлены молекулярные маркеры артериальной гипертонии у пациентов с нормотонией, предгипертонией и гипертензией. В сотрудничестве с ИХФ им. Н.Н.Семенова и Центром Биотической Медицины выявлена нейропротекторная роль селена при ишемических заболеваниях мозга в позднем возрасте. По данным 16 клиник России в совместных исследованиях с Городской Больницей № 51 был сделан прогноз повторного события коронарного синдрома в течение полугода после выписки из больницы. На основе прогностической модели оценен риск возникновения неблагоприятных исходов после перенесенного обострения ишемической болезни сердца. Разработанная компьютерная система оценки риска, основанная на логико-статистических подходах, имеет наивысшую прогностическую силу и точность предсказаний по сравнению с известными моделями (логистическая регрессия, деревья решений, нейронные сети и др.) (А.В. Кузнецова).
