Антагонистические системы естественных технологий

Изучение клеточного материала по его морфологической картине характеризуется как задача объективного разграничения биологического субстрата по комплексу признаков. Проблема разграничения считается решенной, если построен метод выбора комбинации признаков, обеспечивающих различия между разделяемыми объектами и исключены неинформативные комбинации.

Эта задача, типичная для теории распознавания образов, является также типичной в онкологической диагностике, поскольку определение группы решающих признаков, позволяет сосредоточить основное внимание на тех, которые несут максимальную информацию. Ее решение, также, способствует изучению клеточных сообществ и связывающих эти сообщества отношений.

Задача, разграничения множества клеток на подмножества по совокупности различающих признаков, возникшая со времен первого наблюдения клеток опухоли под микроскопом, не потеряла свою актуальность и в настоящее время, в связи со все нарастающей математизацией раннего диагностирования и изучения, по феноменологической картине, механизмов озлокачествления на отношениях клеточных множеств, структурирующих эпителиальное поле. Для применения математических методов,  отражающих статистическую  динамику преобразований на клеточных полях, необходимо иметь такие признаки озлокачествления, которые могут не только выявлять их качественные изменения, но отображать их в цифре, и при этом быть достаточно чувствительными к их малым сдвигам.

Исследования последних лет убедительно показывают, что ядерно-цитоплазматические соотношения и оптическая плотность ядер отдельных клеток, являясь основной морфологической характеристикой уровня метаболизма на разных этапах их развития и жизнедеятельности, в интенсивно разрабатываемой проблеме изучения сдвигов в процессе малигнизации, недостаточно чувствительны именно к малым сдвигам и поэтому недостаточно информативны. Это привело к поиску интегральных показателей озлокачествления, которые однозначно отражая текущее состояние эпителиального поля в целом, одновременно достаточно чувствительны к его минимальным сдвигам и обладают прогностическими свойствами.

Такой обобщенный показатель, статистический по своей природе, в динамике изменения должен отражать механизмы малых морфологических сдвигов на множествах клеток - феноменологию роста опухоли. Его определению должно предшествовать выявление численных значений параметров морфологической картины, обладающих с одной стороны, свойством разделения наблюдаемого множества клеток поля на подмножества по их текущим, на малых интервалах, сдвигам состояния и, с другой стороны, - чувствительностью к изменениям динамики таких сдвигов.

Основным материалом для накопления исходных данных, для поиска такого показателя, явился эпителий различных органов человека, в виде стандартных гистологических препаратов, получение и подготовка которых, обеспечила его однородность и меры предосторожности, в том числе – параллельный контроль в эксперименте на животных. Все исходные предположения строились на классификации Базельской конференции 1953 года, а представительность исследуемого множества обеспечивалась объемом генеральной выборки в 50000 клеток.

Определялся ядерно-цитоплазматический индекс клеток, как отношение площади ядра к площади всей клетки. Главная особенность эксперимента заключалась в том, выявлялись ранее не известные значения моды статистических распределений для трех множеств априорно верифицированных клеток: нормального, пластического, гиперпластического эпителия и динамика процессов ее трансформации. Методика отбора послойных множеств измеренных клеток соответствовала установленным правилам, особое внимание уделялось местам разграничения нормального, пластического, гиперпластического, ракового эпителия, причем учитывались нарушения его архитектоники. В основу статистических расчетов была положены случайные выборки  из этой совокупности от 2000 до 4000 клеток каждая.

Методами статистической идентификации моделировались дифференциальные операторы динамики вероятностных распределений ядерно-цитоплазматического индекса. Структура операторов и начальные условия определялись математической обработкой результатов специально поставленных экспериментов на животных, направленных на изучение процессов регуляции внутриклеточного обмена. Это позволило исследовать вероятные причины возникновения злокачественных опухолей, связанные с нарушением регуляции ядерной проницаемости, динамику их развития, условия сохранения гомеостазиса и возникновения антагонистического ему процесса антигомеостазиса (локального гомеостазиса). Значения мод распределения для различных состояний, оказались перетекающими инвариантами процесса,  отражающими отношения между различными множествами клеток, имеющими диагностическую значимость в задаче ракового скрининга. Они были названы ядерно-цитоплазматическими константами. Их значения равны: эпителиальная константа (состояние нормального эпителия) - 0.15; дисплазионная константа (состояние пластического эпителия) - 0.3; раковая константа (состояние гиперпластического эпителия) – 0.8. Выявлено скачкообразное явление статистической «левизны-правизны», отраженное в специфическую константу, равную 0.5, и «ракового взрыва», характеризующегося своей константой, равной ≈0.83. Значения констант проверены многочисленными исследованиями клинического материала, получаемого стандартными методами, на множестве локализаций опухолей и их разновидностей, в том числе соединительных тканей - сарком. Эти значения оказались инвариантными и независящими от локализации и вида опухолей, что указывает на единство их происхождения. На этой основе были разработаны и созданы технические средства массового ракового скрининга.

Дальнейшие исследования статистической динамики изменения значений ядерно-цитоплазматического индекса привели к изучению феноменологии клеточного поля,  клеточного транспорта на нем, и позволили обосновать ряд серьезных положений относительно процессов возникновения, развития и прерывания процесса озлокачествления. В частности, удалось обосновать формальные понятия механизмов гомеостазиса и антагонистичного ему локального гомеостазиса, необходимых для отнесения их к категории полностью определенной целостности – системы, как категории общей теории систем, ввести обобщенный показатель озлокачествления на множестве значений ядерно-цитоплазматического индекса и прозрачности ядра клеток, определенной специальным образом. Получено  трехмерное пространство физической возможности процесса и  определена мера озлокачествления на нем. В образованном метрическом  пространстве построен ряд моделей, в том числе - топология клеточного множества. Это всесторонне отразило неизвестное ранее существование  отношений строгого порядка на клеточных множествах.

Определен совершенный строгий порядок на множестве клеток эпителия нормального состояния. Динамизмы метаморфозы биологического субстрата порождают на нем максимальные совершенные подмножества клеток, отражающие отношение порождения, как переходы от малых количественных накоплений к скачкообразным качественным изменениям, характерным для состояния гиперпластичности.

Изменение порядков на полном множестве состояний субстрата, свидетельствует об управляемости процессов жизнедеятельности как на уровне каждой отдельной клетки специфической клеточной регуляторной системой, так и о существовании распределенной клеточной компьютерной сети, управляющей естественно-технологическим процессом озлокачествления в целом. Это отражается значениями основных параметров трех клеточных подсетей – входа, выхода и изменения состояний. Управление на клеточных сетях, в свою очередь, отражает существование на них, специфической системы – «ракового» гомеостата. Изучены и отображены, в общем виде, механизмы его возникновения, вековой эволюции и сохранения. Именно система ракового гомеостата, существование которой в природе ранее не было известно, создает среду не только для оптимальности, но и для самоорганизации и самовоспроизведения мультиустойчивого процесса озлокачествления, что и обуславливает сложность внешнего вмешательства в динамику его развития.

Изучение характера и механизмов этой системы, позволило описать аналитически и представить графически, феномен функциональной системы клеточного транспорта – последовательного перетока множеств клеток из каждого текущего состояния в каждое последующее, что существенно важно для реализации задач ракового скрининга и прогностики состояния во времени.

Полученные результаты позволяют по-новому смотреть на процесс малигнизации клеточных полей, ставя некоторые установившиеся взгляды на этот процесс под сомнение. Вместе с тем, на математических моделях выявлен ряд парадоксов, по некоторым из которых объяснения не найдено.

Среди многочисленных важных результатов, важнейшим является построение топологии клеточного множества на специально введенной мере озлокачествления,  определяющей автоматизированные способы ракового скрининга, и отображение функциональной зависимостью отношения соответствия инвариантов состояния биологического субстрата, от процессов, протекающих на молекулярном уровне. Эта зависимость, отражая соответствие между клеточными инвариантами и ценностью кодонов генетического  кода, связывает отношением соответствия феноменологию малигнизированной структуры (клеточный уровень) и процессы белкового синтеза (молекулярный уровень).  

Процесс озлокачествления биологического субстрата - локальный гомеостазис, антагонистичный процессу гомеостазиса, представляется в виде упорядоченной гетерогенной микроскопически неоднородной физико-химической системы, различные компоненты  которой разграничены поверхностями раздела, а состояние каждой из них, как и образующих ее элементов, отражается на вероятностной мере двух независимых признаков состояния. Такое сопоставление соотносит феномены жизни и смерти. 

Яков Гельфандбейн