ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНОЙ ГИСТОЛОГИИ И ПАТОМОРФОЛОГИИ компьютерное моделирование

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНОЙ ГИСТОЛОГИИ И ПАТОМОРФОЛОГИИ компьютерное моделирование Г. А. САВОСТЬЯНОВ, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, С. Петербург gensav@iephb. ru http: //members. tripod. com/ ~Gensav

Существующее положение • Трехмерное строение тканей до сих пор неизвестно, и современная микроскопическая анатомия остается плоскостной, эмпирической и описательной • Она не способна прогнозировать развитие и измерять его • Она не проливает свет на суть перестроек тканей в патологии.

Причины затруднений: • 1) Постановка задачи образом, уводящим от решения, настроенность на субстрат, (геномика, протеомика и т. д. ) • 2) Недостаточная разработка формализованных теорий структурного аспекта развития и морфогенеза (топология, геометрия) • 3) Отсутствие моделей элементарных единиц развития (сейчас ими считаются клетки). • 4) Слабый учет клеточных взаимосвязей, игнорирование структуры клеточных сетей; • 5) Трудность эмпирической реконструкции 3 -D структуры;

Что дают формализованные модели • Они описывают лишь избранный аспект системы (упуская остальное) • Они дают ПОЛНОЕ количественное описание избранного аспекта, • И позволяют прогнозировать поведение системы

Существующие области формализации: • Статистика (счетные и мерные признаки) • Теория игр (игра со средой, эгоизм-альтруизм, кооперация) • Описание морфогенеза с использованием – реакционно –дифузионных моделей, – синергетики и фрактальной геометрии.

Чего нехватает • Правильной формулировки проблемы пространственной организации: это должен быть инвариант, сформулированный без специальных терминов • Элементарных моделей развивающихся обьектов наподобие атомов в физике, молекул в химии, элементарных ячеек в кристаллографии и т. д. • Представлений о тканях как клеточных сетях при локальном и глобальном рассмотрении

Пропущенные уровни организации Уровни органи зации Объекты неживые 1 атомы молекулы • . клетки 2 . ? 3 4 5 Агрегатное ? состояние (ткани) петрография органы внешняя анатомич. форма строение Нет понятия об элементарных единицах многоклеточности Нет понятия о клеточных сетях

Отсутствующие представления и элементарные модели • Нет формализованной теории разделения труда • Нет понятия об элементарной единице ткани (ее своеобразной молекуле) • Нет понятия о тканях как клеточных сетях и о структуре таких сетей. • Нет понятия о фазе, а также о фазовых переходах • Как результат - нет методов изучения клеточных сетей в реальных тканях в норме и их перестроек в патологии

Нынешние представления о строении тканей плоскостные Варианты многорядности неизвестной 3 -D структуры . • .

Пример эмпирической реконструкции эпителия вестибулярного аппарата крысы и стенозированной артерии

«Трехмерное» представление строения эпителия роговицы

Существующие Геометрические модели укладки клеток в пластах (хроматический аспект не учитывается)

Понятие об элементарных тканевых единицах • Основой их возникновения яляется процедура разделения труда (специализация и интеграция) • Эта процедура является интердисциплинарной и потому должна изучаться формализованно • Для этого необходим специальный язык, свободный от специальных терминов, • Он должен включать в себя набор понятий, алгоритмов и постулатов и позволяет получать набор следствий ( «теорем» ).

Понятие об элементарной единице многоклеточности как о главном результате развития • Элементарнпя единица многоклеточности (гистион) – пропущеный уровень биологической организации • Возможно вычисление множества элементарных единиц многоклеточности • Описание состава и структуры таких единиц. • Прогнозирование их развития • Указание параметров для построения естественной системы таких единиц и измерения их развития. • Возможность интерпретации результатов в специальных терминах и понятиях

Гистионы и примеры их реализации (в зоологии)

Понятие о клеточной сети как о втором результате развития . • Клеточная сеть (а не клетки) определяют свойства ткани • Она представляет упускаемый уровень • . биологической организации • Она возникает в результате полимеризации гистионов, т. е. элементарной единицей сети является не клетка, а гистион • Трансляционная симметрия и стехрометрия состава клеточных сетей как проявление их гистионного строения. • Вычисление множества вариантов клеточных сетей и прогнозирование их развития • Способы описания их состава и структуры. • Указание параметров для построения естественной системы таких сетей • Микроокружение, клеточные ниши • Новый подход к изучению пространственной организации реальных клеточных пластов

Клеточная мозаика, сеть и гистион субапикального уровня эпителия состава AB 3

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЭПИТЕЛИЕВ 1. Клеточный состав. 2. Численные соотношения клеток разных типов. 3. Клеточная смежность – количество клеток, непосредственно соприкасающихся с каждой из них. 4. Микроокружение – взаиморасположение клеток разных типов. 5. Структура клеточной сети – порядок расположения клеток и связей между ними в трехмерном пространстве. СУТЬ НОВОГО МЕТОДА РЕКОНСТРУКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЭПИТЕЛИЕВ 1 ЭТАП. Построение двумерных и трехмерных моделей эпителиев и получение их сечений. 2 ЭТАП. Определение основных характеристик эпителиев с помощью микроскопических исследований. 3 ЭТАП. Сравнение сечений моделей со срезами тканей с помощью указанных характеристик и выбор соответствующих моделей.

Этапы возникновения гистионов на основе разделения труда, и их полимеризация

Разделение труда – основные понятия: • Исполнители (обозначаются кружками). Перечень функций L э • Исходный организм • Элементарная функция • Порядок вовлечения функций в развитие • Режимы выполнения функций – РАВ – исходный автономный режим – РДС – допущение специализации принятие решений (ароморфозы и детерминации) – РОС – осуществление специализации реализация решений (идиоадаптации и дифференцировки) РАВ <--> РДС <--> РОС Память, приоритетные номера Организм Специализированная клетка Энергидность Комплементарные клетки Интеграция Развитие

Разделение труда – основные понятия: m n

Разделение труда – основные понятия (продолжение)

СУММА ПРИОРИТЕТНЫХ НОМЕРОВ И ЗАКОН ЕЕ СОХРАНЕНИЯ

Алгоритм развития • 1. Правило постепенности • функции в процесс разделения вовлекаются по одной. • 2. Правило повторения • последовательность специализаций функций повторяет последовательность их детерминаций • 3. Правило чередования • детерминация каждой последующей функции происходит только после осуществления всех специализаций и интеграций, ставших возможными в результате предыдущих детерминаций

Постулаты развития • 1. Исходными для развития являются элементарные одноклеточные моноэнергидные организмы. • 2. В процессе развития качественный состав и целостность набора функций остается неизменным. Этот постулат отражает постоянство основных атрибутов жизни. • 3. В процессе развития клеточная природа исполнителей функций сохраняется, меняется лишь число клеток и их специализация. • 4. Обеспеченность всех клеток организма полным набором функций L сохраняется, меняются лишь способы такой обеспеченности: путем автономного выполнения функций или интеграции клеток с комплементарными партнерами • 5. Общее число функций, выполняемых каждой клеткой, остается постоянным • 6. Функции клеток могут выполняться только в одном каком-либо из режимов.

Постулаты развития (продолжение) • 7. Все специализированные клетки обеспечивают по равному числу партнеров • 8. Каждая клетка может специализироваться на выполнение только одной какой-либо функции. • 9. Все режимы функций в специализированных клетках могут свободно комбинироваться (технологически совместимы) • 10. Интеграция происходит только с обоюдной выгодой. • 11. Клетки интегрируются без посредников • 12. Все клетки организма имеют общее происхождение

Основной результат: Закон периодического развития гистионов • С монотонным возрастанием общего числа актов развития структура гистионов периодически повторяется. • При этом повторяется и период их одноклеточного состояния.

Периодическая таблица гистионов

Основные черты таблицы • Таблица – трехмерная, параметрическая и едина для филои онтогенеза (и даже шире) • Она не связана с физиологией и генетикой, но вытекает из самой сути разделения труда. • Она учитывает состав и структуру всех возможных гистионов • Положение гистионов в таблице однозначно задает все их свойства • По номеру гистиона можно восстанавливать его структуру (и наоборот) • Расположение гистионов в таблице не отражает генеалогию, а их соседство не говорит о родстве

Основные черты развития гистионов • Начало развития – от неспециализированных предков (или стволовых клеток) • Рост числа клеток и рестрикция потенций • Неизбежность вымирания • направленность, ограниченность, повторяемость • Параллелизмы и мозаичность • Постепенность и скачки • переходы от диахронии к синхронии, от неполно- к полночленности. • Виды траекторий развития: моно- и полифилия, прогресс и регресс, анаболии, неотении, архалаксисы, девиации, ценогенезы

Предварительные итоги • Рост энергидности • Разделение генеративной и соматической частей гистиона (стволовые клетки, неспециализированные предки) • Постепенность и скачки • Измерение развития

Возникновение стволовости

Возникновение стволовости (продолжение)

Парамеры для измерения развития • • Примеры измерения развития Трихоплакс, состоит из 5 типов клеток Приняв m=n находим, что N = 20, из которых 15 приходится на детерминации, 5 – на специализации, • Е = 25. • Hmin = 1, Hmax = 10 • Человек, состоит из 200 типов клеток • Приняв m=n находим, что • N = 20300, из которых 20100 приходится на детерминации, 200 – на специализации, • Е = 40000. • Hmin = 1, Hmax = 1*10 56

Суммы приоритетных номеров

Пример определения структуры гистиона по заданному номеру • Пусть организм имеет № 145. • Находим ближайшую сумму арифметической прогрессии с разностью в единицу, не превышающую этого номера. Она равна 136, и ее последний член равен 16. • Следовательно, этот организм расположен в строке № 16 • Номер его столбца равен разности 145 – 136 = 9. • Таким образом, этот организм имеет 16 детерминированных функций, состоит из 9 клеток различного типа, его энергидность равна 81, а число изотопов равно 11440. • ПРЕДСКАЗАНИЕ: в рамках своей строки он имеет потенцию к осуществлению еще семи актов развития с доведением числа разнотипных клеток до 16 и энергидности до 256. • Качественный набор функция должен задаваться дополнительно.

Модификация постулатов Варианты структуры мономерных гистионов

Модификация постулатов продолжение

Модификация постулатов продолжение

Модификация постулатов

Трансформация гистионов

Организмы с общей кассой

Организм с общей кассой (продолжение)

Мономерные гистионы и примеры их реализации (в зоологии)

Мономерные гистионы и примеры их реализации (в ботанике)

Заключение Предлагается: – Новый аспект: структурная биология развития на основе его главного инварианта – разделения труда – Новый объект развития элементарная единица многоклеточности (не клетка, а гистион) – Новый язык для описания разделения труда – Аксиоматизированный подход к вычислению множества архитектур для гистионов. – Периодическая таблица гистионов – Измерение степени их развития – Прогнозирование возможных направлений прогрессивного развития

Ткани как клеточные сети • Ткани – это полимеризованные гистионы (все ткани, но мы сосредоточимся на пластах), • Пласты являются 1 -D, 2 -D и 3 -D клеточными сетями Клеточные сети – новый, упускаемый уровень биологической организации • В клеточной сети реализуется тот же вариант разделения труда, что и в гистионе • Гистионное строение сетей проявляется в том, что они имеют вид ПЕРИОДИЧЕСКИХ координационных решеток • Гистион (а не клетка!) является минимальной репрезентативной единицей ткани • Другими словами, элементарная морфофункциональная единица ткани – не клетка, а гистион.

Ткани как клеточные сети Суть новой теории: • 1) Состав и структура гистионов и клеточных сетей служат предметом структурной биологии развития. • 2) Она может излагаться компактно, выводясь из немногих постулатов. • 3) Множество возможных вариантов клеточных сетей (гистоархитектуры) эпителиев – вычислимо. • 4) Клеточные сети можно изучать локально (микроокружение, клеточные ниши), и глобально. • 5) Тканевое развитие можно прогнозировать. • 6) Изменения тканей в нормальном развитии и патологии сводятся к изменениям клеточных сетей и гистионов.

Различия геометрии и топологии мозаик

Гистионы и их полимеры (клеточные решетки) различной размерности

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЭПИТЕЛИЕВ 1. Клеточный состав. 2. Численные соотношения клеток разных типов. 3. Клеточная смежность – количество клеток, непосредственно соприкасающихся с каждой из них. 4. Микроокружение – взаиморасположение клеток разных типов. 5. Структура клеточной сети – порядок расположения клеток и связей между ними в трехмерном пространстве. СУТЬ НОВОГО МЕТОДА РЕКОНСТРУКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЭПИТЕЛИЕВ 1 ЭТАП. Построение двумерных и трехмерных моделей эпителиев и получение их сечений. 2 ЭТАП. Определение основных характеристик эпителиев с помощью микроскопических исследований. 3 ЭТАП. Сравнение сечений моделей со срезами тканей с помощью указанных характеристик и выбор соответствующих моделей.

Новый подход к изучению пространственной организации однослойных клеточных пластов • Суть подхода: синтез семейства 2 -D моделей и прицельный поиск предсказываемых ими структур

Постулаты полимеризации (двухмерный случай) • 1. Клетки упакованы без промежутков. • 2. Каждой стороной клетки контактируют только с одним партнером. • 3. Все клетки имеют форму правильных многоугольников. • 4. В точках пересечения сходится одно и то же число клеточных сторон, и это число равно только трем. • 5. Смежность клеток по высоте не меняется.

Первичные клеточные сети

Варианты мозаик различного состава

Варианты мозаик различного состава (продолжение)

Варианты мозаик продолжение

Пример аллотропной модификации

Варианты мозаик (продолжение)

Аллотропные модификации мозаик состава АВ

Запредельные мозаики

Геометрические модификации мозаик

11 двухмерных моделей эпителиев и примеры их реализации

11 моделей … (окончание)

Хроматческие варианты 2 -D мозаик

Анизотропия мозаик и информативность их срезов

«Зашумление» тканевой структуры

Заключение по двухмерному случаю Предлагается: – Новый аспект: структурная гистология – Новый объект развития клеточная сеть как полимеризованный гистион – Аксиоматизированный подход к вычислению множества архитектурклеточных сетей. – Вычисление возможных вариантов гистоархитектур и прогнозирование их развития – Новые свойства клеточных сетей (трансляционная симметрия и стехиометрия состава, аллотропия и анизотропия) – Комплекс новых признаков для диагностики – Новый подход к изучению гистоархитектуры

Трехмерные клеточные сети • Главная черта трехмерных моделей – на различных уровнях они характеризуются различными моделями, • Т. е. для них характерно слайсовое строение

Существующий подход к изучению пространственной. организации многослойных и многорядных клеточных пластов • . • Его суть - решение обратной задачи: • Получение серийных срезов, • Формирование из них стека • Проведение графической или пластической реконструкции • (в последнее время – с помощью компьютерных технологий)

Пример эмпирической реконструкции эпителия вестибулярного аппарата крысы и стенозированной артерии

Пример реконструкции клеток кортиева органа (Sato et al, 1999)

Как работает Reconstruct: сагитальные сечения

Тангенциальные сечения

Новый подход к изучению пространственной организации многослойных. и многорядных клеточных пластов • . • Суть подхода: решение прямой задачи: • синтез семейства 3 -D моделей и получение набора их сечений, • Сравнение срезов реальных тканей с сечениями моделей • Выбор той из них, сечения которой совпадают с реальностью

Принцип построения трехмерных моделей

Два способа представления трехмерной структуры ткани

3 -D организация пласта с гистионом состава АВ

Клеточная мозаика, сеть и гистион субапикального уровня эпителия состава AB 2

3 -D организация пласта с гистионом состава АВ 2

Скошенные сечения модели и срезы слухового эпителия птиц состава AB 2 а) Срез от апикальной поверхности вглубь пласта. б) Срез субапикальных уровней пласта. Columba livia. Световая микроскопия. Окуляр 10 x, объектив 20 x.

Сравнение тангенциальных сечений компьютерной модели и результатов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) эпителия состава AB 2

Структура клеточной ниши в пласте состава АВ 2

Топология пласта состава АВ 2

Базально-апикальные сечения компьютерной модели слухового эпителия птиц состава AB 2, сделанные в разных направлениях

Клеточная мозаика, сеть и гистион субапикального уровня эпителия состава AB 3

3 -D организация пласта с гистионом состава АВ 3

Скошенные сечения модели и срезы слухового эпителия птиц состава AB 3 а) Срез от апикальной поверхности вглубь пласта. б) Срез субапикальных уровней пласта. Columba livia. Световая микроскопия. Окуляр 10 x, объектив 20 x.

Внутриэпителиальные ниши эпителия клеточного состава AB 3. СЭМ

Топология пласта состава АВ 3

Сечения модели состава АВ 3

3 -D организация пласта с гистионом состава АВС 2

МОДЕЛИ МНОГОРЯДНОСТИ, построенные комбинированием слайсов

МОДЕЛИ МНОГОСЛОЙНОСТИ

Развитие пространственной организации клеточных пластов • В процессе развития пространственная организация пластов претерпевает трансформации по типу фазовых переходов

Трансформации мозаик

Трансформации мозаик (продолжение)

Дефекты решеток. Дисклинационный рисунок мозаики

Новый взгляд на патологию.

Новый взгляд на патологию.

Полиморфизм Новый взгляд на патологию.

Новый взгляд на патологию. (продолжение)

Переформулировка проблемы изменения тканей

Итак, мы предлагаем – Новый аспект: инвариант развития (разделение труда) – Новую элементарную единицу развития (не клетка, а клеточный кластер – гистион) – Новое понимание пласта как регулярной клеточной решетки – Аксиоматизированный подход к вычислению множества архитектур для гистионов и решеток, – Новый подход к реконструкции их трехмерного строения – Прогнозирование возможных направлений развития пространственной организации клеточных пластов – Измерение развития

Реконструкция моделей AB 2 и AB 3 с помощью программы Reconstruct. Справа – модели, в центре – серийные сечения, слева результаты реконструкции

Клеточная мозаика, сеть и гистион субапикального уровня эпителия состава AB 6 C 2

Пространственная организация слухового эпителия птиц клеточного состава AB 6 C 2

Скошенные сечения модели и срезы слухового эпителия птиц состава AB 6 C 2 а) Срез от апикальной поверхности вглубь пласта. б) Срез субапикальных уровней пласта. Columba livia. Световая микроскопия. Окуляр 10 x, объектив 20 x.

Пространственная организация слухового эпителия птиц клеточного состава AA*2 B 6

Пути взаимопревращения моделей клеточного состава AB 6 C 2, AA*2 B 6, AB 2

Модель клеточного состава AB 2 C 3

Базально-апикальные срезы слухового эпителия птиц а) Волосковые клетки располагаются плотно. б) Волосковые клетки располагаются редко. Columba livia. Световая микроскопия. Окуляр 10 x, объектив 40 x.