отдел кинетики химических и биологических процессов

Лаборатория математической биофизики

Лаборатория математической биофизики
Заведующий - к.ф.-м.н. Андреев Сергей Григорьевич
Телефон: 939-71-94, email: andreev_sg@mail.ru

Лаборатория математической биофизики (до 2000 года название – лаборатория математической иммунобиофизики) была сформирована в 1993 году под руководством доктора физико-математических наук Владимира Александровича Кузнецова на базе лаборатории биохимии лейкозов, созданной еще в отделе кинетики химических и биологических процессов Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН в 1972 году доктором биологических наук Натальей Владимировной Николаевой. В лаборатории разрабатывались методы ранней диагностики, профилактики и терапии лейкозов крупного рогатого скота.

Помимо традиционного направления исследования биохимии лейкозов (Л.П. Семенова, А.В. Алещенко), основным направлением деятельности лаборатории математической иммунобиофизики являлась математическая иммунология злокачественных опухолей. Были разработаны основы динамической теории иммунных противоопухолевых реакций на молекулярном, клеточном и организменном уровнях организации. Эта теория позволила объяснить ряд парадоксальных явлений онкоиммунологии, таких как «дремлющие» состояния опухолей, «ускользание» малых опухолей от иммунного контроля, иммуностимуляция роста опухолей.

В 1996 году лабораторию возглавил кандидат физико-математических наук Сергей Григорьевич Андреев. Одним из основных направлений в работе лаборатории стало исследование биофизических принципов структурно-функциональной организации генома – направление, начатое С.Г.Андреевым совместно с профессором Дмитрием Михайловичем Спитковским еще в 1980-х годах. Согласно развиваемым представлениям, интерфазная хромосома состоит из структурно-функциональных единиц – супердоменов, содержащих 1-3 млн. пар оснований ДНК. Каждый супердомен соответствует минибенду прометафазной хромосомы и состоит, в свою очередь, из нескольких петлевых доменов хроматина, ведущих себя не индивидуально, а кооперативно. Структура и динамика интерфазной хромосомы исследуются методами биофизического моделирования. С самого начала рассматривались два основных представления об устройстве хромосомы, основанные на физике полимеров: (*) - хромосома как полимерная глобула (гипотеза, выдвинутая С.Г. Андреевым и Д.М. Спитковским в 1980-х) и (**) - хромосома как полимерный клубок (гипотеза, выдвинутая Р. Саксом на основе эксперимента, выполненного в 1992 году с помощью метода FISH). Исследования, проведенные в лаборатории математической биофизики, показали, что по целому ряду критериев первая из двух гипотез выглядит предпочтительнее.

Еще одно направление в работе лаборатории, тесно связанное с предыдущим – исследование взаимосвязи между структурой интерфазных хромосом и образованием хромосомных обменных аберраций под действием ионизирующей радиации. Поскольку для образования обменных аберраций требуются контакты поврежденных радиацией участков хромосом (либо в момент облучения, либо со временем после него), то одной из важнейших проблем при изучении хромосомных аберраций является проблема внутри- и межхромосомных контактов. Это и приводит к необходимости учета структуры и динамики хромосом в интерфазном ядре. В ходе исследований, проведенных в лаборатории, было показано, что крупномасштабная структура интерфазных хромосом действительно существенно влияет на типы и частоты хромосомных аберраций: чем компактнее упаковка хромосомы, тем больше аберраций в ней образуется и тем они сложнее. Это обстоятельство позволяет выдвигать гипотезы о деталях структуры хромосомы на основе данных по хромосомным аберрациям. Кроме того, методы биофизического моделирования образования хромосомных аберраций позволяют прогнозировать типы и частоты аберраций, не наблюдаемых экспериментально в силу конечного разрешения экспериментальных методов, например, слишком маленьких перестроек, не видимых под микроскопом.

В 90-е годы лаборатория стала заниматься экспериментальным исследованием действия ионизирующей радиации на геном человека. Маркером повреждений генома служит наличие микроядер в клетках, прошедших одно деление после облучения. Одновременно определяется адаптивный ответ in vitro, который выражается в уменьшении численности поврежденных большой дозой радиации клеток после предварительного слабого облучения и, таким образом, отражает адаптационный потенциал организма. В ходе работ было проведено обследование двух больших контингентов людей – более 1000 детей из Москвы и Московской области, проживающих в районах с различной экологической обстановкой, и более 1000 жителей прибрежных сел реки Теча на Южном Урале, подвергавшихся хроническому облучению. Обнаружена корреляция частоты клеток с микроядрами и экологической обстановки: в клетках крови людей, проживающих в экологически неблагополучных районах, частота клеток с микроядрами выше, чем у людей из экологически чистых районов. Таким образом, микроядерный тест проявил себя достаточно информативным для проведения экологического мониторинга.

Еще одно направление работы лаборатории, активно развиваемое в настоящее время – теоретические исследования отдаленных последствий действия радиации, т.е. эффектов, наблюдаемых не в непосредственно облученных клетках, а в их потомках – хромосомной нестабильности и злокачественной трансформации. По современным представлениям, хромосомная нестабильность, т.е. повышенный уровень хромосомных аберраций в отдаленные сроки после облучения, является одним из начальных этапов онкогенеза. С другой стороны, способность опухолей к метастазированию коррелирует с уровнем хромосомной нестабильности в раковых клетках. Выяснение причин такого дуализма, т.е. появления хромосомных аберраций как на начальных этапах, так и на поздних стадиях развития онкозаболевания, фактически приведет к пониманию механизмов развития онкогенеза и, как следствие, к нахождению эффективных схем терапии.

Другое биомедицинское направление лаборатории - разработка алгоритмов диагностики заболеваний, прогнозирования эффективности терапии и исхода заболевания (А.В. Кузнецова). Анализ данных, полученных при медико-биологических исследованиях, проводится с использованием статистических, логических, алгебраических, геометрических подходов. Их комбинация дает возможность построения оптимальных коллективных решений, что и позволяет создавать высокоэффективные алгоритмы. Полученные данные имеют важное прикладное значение для медицины и клинической практики. Благодаря этому, решено большое количество задач, например: прогноз эффективности терапии при остеогенной саркоме, дифференциальная диагностика типа инсульта, способ краткосрочного прогноза радиационной обстановки на Международной космической станции. Выпущено методическое пособие «Диагностика и прогноз психических расстройств в остром периоде сотрясения головного мозга», МЗ РФ, МНИИП, М., 2003.

Лаборатория тесно сотрудничает с Онкологическим центром РАМН, Институтом неврологии РАМН, Институтом медико-биологических проблем РАН. Совместно с сотрудниками Тверского Медицинского Университета получены авторские свидетельства о рацпредложениях (1999г): «Коррекция дисбактериоза кишечника ребенка как метод оздоровления детей с иммунной недостаточностью», «Способ достоверного разделения часто и редко болеющих детей в период реконвалесценции после рецидива инфекционного заболевания дыхательных путей», «Способ распознавания стойкого и не стойкого эффекта оздоровления детей с иммунной недостаточностью», «Комплексная методика оздоровления детей с частыми рецидивами инфекционных заболеваний дыхательных путей», «Cпособ прогноза вида условно-патогенной микрофлоры (УПМ) в микробиоценозе толстого кишечника ребенка по иммуно-лабораторным данным». Получено 3 патента на изобретение: «Способ прогнозирования частоты рецидивов инфекционных заболеваний дыхательных путей и стойкости эффекта оздоровления у дошкольников» (2001г); «Способ прогнозирования тяжести течения депрессивных расстройств в остром периоде сотрясения головного мозга»(2002г);

За 15 лет в лаборатории опубликовано 73 статьи, сотрудники активно участвуют в международных зарубежных и российских съездах, конференциях и школах. В лаборатории регулярно проходят дипломную практику студенты МФТИ и МИФИ, подготовлено 4 дипломника, 2 аспиранта; сотрудники защитили 3 диссертации (Л.Р. Борисова, Ю.А.Эйдельман, А.В. Кузнецова). Зав. лабораторией С.Г. Андреев читает курсы лекций студентам МИФИ «Биофизика», «Микродозиметрия», МФТИ и Научно-образовательного центра (НОЦ) «Биохимическая физика», объединяющего 9 профильных кафедр 7 ВУЗов Москвы.

В перспективе в лаборатории планируется развивать следующие научные направления: создание компьютерной модели живой клетки человека; создание in silico технологий прогнозирование канцерогенных рисков под действием радиационных и нерадиационных физико-химических факторов окружающей среды; создание компьютерных моделей опухолевого роста и на этой основе технологий прогнозирования эффективности индивидуальной лучевой и химиотерапии злокачественных новообразований; развитие биоинформационных технологий анализа массивных биомедицинских данных; экспериментальные исследования структурных изменений генетического аппарата клеток человека под действием малых доз ионизирующей радиации, определение групп риска среди населения, наиболее чувствительных к воздействию физических и химических факторов окружающей среды.

Лаборатория математической биофизики
Яндекс.Метрика