Введение к работе
Актуальность исследования. В современной молекулярной биофизике центральное место занимают вопросы, связанные с выяснением структуры и функций биомакромолекул [Волькенштейн, 1975; Блюменфельд, 1977; Рубин, 2004]. В последние годы в биофизике большое внимание уделяется структурным аспектам биологических волокнистых материалов (актин, тубулин, коллаген, фибрин), а также задачам кинетики их формирования. Нестабильности и катастрофы свойственные динамике волокнистых структур активно изучаются теоретически и экспериментально. Особый прогресс в последнее время был достигнут в понимании биофизических механизмов динамических нестабильностей в тубулиновых и актиновых полимерных сетях [Salmon 2006; Катруха 2007]. В свете этого понятен интерес специалистов, изучающих проблемы полимеризации фибрина (играющего важную роль в процессах смены агрегатного состояния крови), к работам, направленным на изучение кинетических нестабильностей.
Фибрин - белок, полимеризация которого, по сути, лежит в основе процессов смены кровью агрегатного состояния. Скорость формирования фибриновых сгустков в кровотоке имеет решающее значение для остановки кровотечения. Именно поэтому предпринятая в данной работе попытка изучения механизмов взрывного формирования фибрин-полимерных сетей, вопросов их фрагментации и деградации, представляется актуальной.
С физико-химической точки зрения образование фибриновых сгустков при свертывании крови (или же плазмы крови), вне всякого сомнения, представляет собой агрегационный переход, при котором кровь, как исходно жидкая субстанция, утрачивает способность к течению, превращаясь в желе. Другими словами, при свертывании крови имеет место неравновесный фазовый переход из жидкого в гелеобразное состояние. Согласно принятой после работ Дж.В. Гиббса традиции, такого рода переходы принято отображать на диаграммах состояний, каждой области которых отвечает устойчивость той или иной фазы по отношению к флуктуациям.
і .
1 \ :
Проблема теоретического построения соответствующих диаграмм устойчивости для неравновесных систем к настоящему времени остается нерешенной в общем виде. В настоящей работе предпринята попытка теоретического построения соответствующих диаграмм агрегационных переходов в крови. При этом кинетические процессы образования фибриновых макромолекул, их ассоциация в макромолекулярные кластеры, и, в конечном итоге, переход системы в гелеобразное состояние, трактуются в терминах статистических моментов [Flory, 1941, Stockmayer 1943, Риордан, 1966; Kleinig, 1999; Lushnikov, 2006].
С этой точки зрения настоящая работа, по-видимому, представляет не только биофизический, но и определенный общетеоретический интерес. Особенно в той своей части, в которой наряду с ассоциацией макромолекул учитываются процессы фрагментации. Вклад последних в процессы смены кровью своего агрегатного состояния теоретически удалось проследить впервые (см. главу II).
Цели исследования. Основной целью данной работы являлось теоретическое изучение условий возникновения взрывной полимеризации фибрина, ответственной за спонтанную смену агрегатного состояния крови, выяснение механизмов формирования и распада макроскопических фибрин-полимерных сетей в условиях интенсивной гемодинамики.
В ходе выполнения работы решались следующие задачи:
Построить замкнутое физико-математического описания процессов наработки ключевых активных ингредиентов системы регуляции свертывания крови, включая тромбин и фибрин-мономер.
Составить достаточно общую принципиальную схему процессов полимеризации фибрина с учетом фрагментации, деградации и нелинейного источника мономеров. Разработать аппарат теории моментов для описания реакций полимеризации-фрагментации и желирования фибрина.
На основании анализа устойчивости построить параметрическую диаграмму состояния, найти критические условия взрывной полимеризации. С последними по существующим представлениям связаны наиболее опасные из стремительно развивающихся процессов тромбообразования -«молниеносные».
4. Изучить пространственные аспекты внутрисосудистого свертывания крови, запускаемого патологическим очагом, локализованным в ткани неподалеку от сосуда. Дать практические рекомендации. Научная новизна исследования. Тромбин - ключевой фактор системы свертывания крови, регулирующий реакции каскада свертывания. Непосредственно под действием тромбина, в частности, происходит наработка фибрина из фибриногена. Практически все существующие на данный момент модели процессов свертывания крови описывают те или иные ветви регуляторного каскада биохимических реакций, ведущих к наработке тромбина, в то время как реакции наработки и полимеризации собственно фибрина считаются само собой разумеющимися и математически явно не описываются.
В данной работе впервые ставится и решается задача об описании в рамках единого подхода как каскада наработки тромбина, так и процессов генерации, полимеризации и фрагментации фибрина.
Впервые показано, что при интенсивном фибринолизе сама по себе наработка тромбина (даже взрывная) может не вызывать тромбообразования, и наоборот, при ослабленном фибинолизе даже небольшого, "фонового" уровня наработки тромбина может быть достаточно для образования фибринового геля. Данные результаты являются принципиально новыми.
Взаимодействие тканевых патологических процессов и внутрисосудистых процессов свертывания крови является хорошо известным клиническим фактом, подробно изучающимся в последние годы на молекулярно-клеточном уровне. Однако соответствующая математическая задача о взаимодействии тканевых патологических процессов и внутрисосудистых процессов тромбообразования была поставлена впервые в данной работе. При этом основным объектом внимания были макроскопические, а именно, геометрические характеристики тканевого и внутрисосудистого процессов. Получено соотношение подобия, позволяющее по местоположению облака микротромбов в сосуде судить о местоположении и темпе роста тканевого патологического очага.
Практическая значимость работы. Построенная в работе параметрическая диаграмма состояний позволяет в новом свете увидеть причины, по которым могут иметь место процессы внутрисосудистого тромбообразования. В рамках
развитого подхода формирование фибриновых тромбов в крови полагается возможным лишь в ситуациях, когда полимеризация фибрина сопровождается гелеобразованием, то есть макроскопической сменой агрегатного состояния. Построенные теоретически диаграммы состояния показывают, при каких изменениях параметров в крови в принципе возможны агрегационные переходы.
Вследствие этого открылись новые перспективы для постановки экспериментов по проверке теоретических предсказаний. В этом состоит прогностическая значимость полученных результатов.
Сверх этого, построенные в работе диаграммы состояний, безусловно, могут быть использованы для интерпретации результатов ранее выполненных экспериментов. В частности, в рамках развитого подхода естественным образом объясняются такие режимы, при которых традиционно измеряемые показатели, относящиеся к каскаду наработки тромбина, остаются в пределах физиологической нормы, а тромбообразование, тем не менее, наблюдается. Становится понятным, почему срабатывание биохимического каскада наработки тромбина при усиленном фибринолизе не ведет к формированию кровяных сгустков. В этом, по-нашему мнению, проявляется «объяснительная» значимость полученных результатов.
В плане возможных приложений представляется уместным отметить полученное в работе соотношение подобия, которое может быть использовано при интерпретации данных, получаемых при медицинской ультразвуковой диагностике крупных сосудов, в которых обнаруживаются микротромбы. Данное соотношение подобия связывает размер тканевого патологического очага и локализацию облака микротромбов,' которое можно наблюдать с помощью ультразвука. Таким образом, оно позволяет судить о размере, темпе роста и местоположении патологического очага в прилегающей к сосуду ткани на основании данных о свертывании крови в сосуде, полученных с помощью ультразвуковой диагностики.
Апробация работы. Работа докладывалась на семинарах лаборатории криобиофизики клеток крови ГНЦ РАМН; на семинаре сектора информатики и биофизики сложных систем кафедры биофизики биологического факультета МГУ; на конференции «Проблемы биологической физики» на кафедре биофизики
физического факультета МГУ. По отдельности главы данной работы были представлены на следующих конференциях: «Нелинейные волны-2008» в Нижнем Новгороде (2008); на XLVIII научной конференции МФТИ, Долгопрудный (2005); "Гемореология в макро- и микроциркуляции", Ярославль (2005); на 9-ой школе-конференции "Биология - наука XXI века", Пущино (2005); на П-ой конференции по клинической гемостазиологии и гемореологии в сердечно-сосудистой хирургии, Москва (2005).
Публикации. По теме работы опубликовано 7 печатных работ, из них 5 -тезисы конференций и 2 развернутые статьи, в отечественном и зарубежном журналах. Еще одна статья принята к публикации в международном журнале.
Объем и структура работы. Работа представлена на 137 страницах, состоит из Введения, трех глав основного текста, в том числе Обзора литературы, а также Заключения и Выводов. В отдельных подразделах работы приведены благодарности, список литературы, содержащий 184 источника и 2 приложения. Работа иллюстрирована 29 рисунками и 3 таблицами.
Похожие диссертации на Кинетика полимеризации фибрина в процессах свертывания крови. Теоретический анализ
