Автореферат (Биофизические механизмы формирования твердофазных структур биологических жидкостей человека)

На правах рукописиШАБАЛИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧБИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДОФАЗНЫХ СТРУКТУРБИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА03.01.02 - БиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора биологических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена в ФГБУ Институт физиологии им. И.П. ПавловаРоссийской академии наук,ФГБУ Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла,носа и речи Минздрава РФНаучный консультант:Самойлов Владимир Олеговиччлен-корреспондент РАН, заслуженный деятельнауки РФ, доктор медицинских наук, профессор,заведующий лабораторией физиологии ибиофизики клетки ФГБУН Институтфизиологии им.

И.П. Павлова РАНОфициальные оппоненты:Чемерис Николай Константиновичдоктор биологических наук, профессор,главный научный сотрудникФГБУН Институт биофизики клетки РАНМаксина Александра Генриховнадоктор биологических наук, профессор,зав. кафедрой физики и математики педиатрическогофакультета, ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И. ПироговаКуликов Кирилл Геннадьевичдоктор физико-математических наук, профессоркафедры "Высшая математика" ФГАОУ ВО СПбПУ,федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшего образования«Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого»Ведущая организация: ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр физикохимической медицины Федерального медико-биологического агентства» г.

МоскваЗащита диссертации состоится «31» мая 2018 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.232.10 на базе ФГБОУ ВО СПбГУ по адресу: 199034,Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9, ауд. 90С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького ФГБОУВО СПбГУ по адресу: Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9, и на сайте СПбГУ:https://disser.spbu.ru/files/disser2/1576/disser/bM3zsPfV3k.pdfТел: 8(812) 328-97-41Автореферат разослан «____» _________ 2018 г.Ученый секретарь диссертационного советад.б.н., профессор2Алексеев Н.П.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

В последние годы большое внимание уделяетсяизучению процессов, происходящих при высыхании капли многокомпонентной жидкости на твердой горизонтальной поверхности (Колегов К.С.,2015; Kitano T., 2015; Brutin D., 2014). Наиболее ранние работы посвящались исследованиям растворов белок-вода (Рапис Е.Г., 1988), Особое местов этих исследованиях принадлежит биологическим жидкостям (БЖ), выполняющим важные функции в живых организмах. В настоящее времяпубликации по дегидратационной самоорганизации БЖ носят разрозненныйхарактер и в основном принадлежат медикам (Шатохина С.Н. 2000; ЯхноТ.А., 2014).

Цикл работ Рапис Е.Г. посвящен феноменологическомуописанию отдельных процессов самоорганизации в системе белок-вода, ирассматриваются преимущественно альбумин, глобулин, гемоглобин,цитохром, лизоцим, и другие белки животных и человека. РаботыШатохиной С.Н. и др. в основном посвящены описанию структур в БЖ (система белок-соль), обнаруживаемых при тех или иных патологическихпроцессах.БЖ относятся к классу многокомпонентных неоднородных инеравновесных сред, в состав которых входят белки, органические соединения небелковой природы, растворенные и взвешенные неорганическиесоединения в воде. В БЖ происходят высоко скоростные изменениямолекулярного состава и характера взаимодействия различных компонентовпри физиологических, экстремальных и патологических состояниях (Muravlyova L.Y., 2016, Чемерис Н.К., 2017). Такие изменения являются наиболееинформативными при исследовании гомеостаза молекулярного уровня имогут служить основой для диагностики различных заболеваний на самыхранних стадиях.Многообразие процессов, протекающих в высыхающих каплях истинных и коллоидных растворов (Lebovka N.I., 2014; Brutin D., Sobac B.

2015),взвесей и суспензий, затрудняет экспериментальное изучение их количественных параметров и разработку математических моделей течений ипроцессов отложения растворенных веществ (Бузоверя М.Э. 2014; Tarasevich Y.Y., 2014, Колегов К.С., 2014). Эти процессы с можно отнести к механизмам самоорганизации (Kokornaczyk M.O., 2011). Они чётко прослеживаются при так называемых неравновесных фазовых переходах, одним извидов которых является переход жидкости в твёрдую фазу в процессевысыхания (Sobac B., 2015). Такого рода фазовый переход позволяетперевести организацию БЖ на более высокий уровень и зафиксироватьнеустойчивые межмолекулярные связи (Zeng H., 2014).

При этом, изучаясистему на макроскопическом уровне ее самоорганизации, исследовательполучает информацию относительно поведения системы на молекулярномуровне.3Важным разделом изучения фазовых переходов БЖ является анализсил и потоков внутри испаряющейся капли, которые обеспечивают построение структуры её твёрдой фазы (Tarasevich Y.Y., 2013). Оптимальныеусловия для наблюдения за этими потоками создаются при расположениикапли на горизонтальной плоской поверхности – т.н.

метод клиновиднойдегидратации (Шатохина С.Н., 2001). Капля, лежащая на горизонтальнойплоскости, является удобной моделью самоорганизующейся системы дляисследованияфизико-химическихпроцессов,свойствакоторыхопределяются составом растворённых веществ в жидкости, внешнимиусловиями дегидратации (Joksimovic R., 2014) и материалом подложки. Витоге клиновидной дегидратации БЖ формируется сухая плёнка – «фация»,структура которой несёт информацию о составе и взаимоотношениях веществ, растворённых в БЖ.Морфологическая картина фации БЖ адекватно отражает как физиологические, так и патологические изменения, происходящие в высокодинамичных пространственно-временных структурах живых организмов.

Этиизменения фиксируются при фазовых переходах, происходящих в результате клиновидной дегидратации БЖ. При изучении фазовых переходов важен как поиск общих закономерностей структурообразования, так и анализпричин построения специфических форм в аналогичных по составу неравновесных средах (Терентьев П.С., 2014).Структура осадка начинает формироваться уже на начальном (гидродинамическом) этапе, когда капля БЖ представляет собой слабый растворвходящих в ее состав веществ (Thiele U., 2015; Hołyst R., 2015). На этом этапе происходит пространственное перераспределение первоначально равномерно распределенных компонент раствора по площади фации в соответствии с их физико-химическими параметрами. Возникает как медленныйдиффузионный перенос вещества и энергии, так и более активныегидродинамические потоки (Yang S., 2014; Tarasevich Y.Y., 2013; BarmiM.R., 2014).Морфологический анализ БЖ (сыворотка крови, лимфа, желчь, желудочный сок, моча, панкреатический сок, ликвор, слеза, секрет полости носаи др.) показал, что в норме в БЖ существует порядок, который преобразуется и фиксируется в виде определенных структур с соответствующими качественными и количественными параметрами (Маркевич В.Э., 2014).

Припатологических состояниях наблюдаются значительные нарушения данногопорядка, выражающиеся в потере биожидкостью способности формироватьфизиологические структуры (Симонова Ж.Г., 2014, Максина А. Г., 2015). Врезультате структуры приобретают новые признаки, которые рассматриваются как патологические (Булкина Н.В., 2013, Muravlyova L.Y., 2014).

Значимые для диагностики структуры устанавливаются путём сравнительногоанализа фаций БЖ здоровых людей и пациентов с различными видами патологии. Статистически достоверные различия выявленных особенностей в4структурах фаций (Бузоверя М.Э., 2014) позволяет относить эти особенности к маркерам той или иной патологии.К настоящему времени при оценке изображений фаций БЖприменялся, главным образом, визуальный анализ - микроскопия приразличных увеличениях, с использованием обычного и поляризованногосвета, а также «темного поля».

Существующие методы обработки растровых изображений, которые описаны в классических работах (Гонзалес Р.,2006; Прэтт У., 1982) и других авторов (Родионова Н.В., 2014, МорозоваТ.В., 2012, Хоанг Ф.Н., 2012, Чемерис Н.К., 2014) содержат лишь общиеалгоритмы, результат работы которых не зависит от спецификиобрабатываемых изображений. В связи с этим решение задач объективнойдиагностики требует создания методов количественной оценки растровыхфрагментов текстур фаций БЖ с учетом их особенностей, а также методовобработки данных, способствующих разработке автоматизированнойподдержки исследований структур твёрдой фазы БЖ.Цель и задачи исследования. Цель настоящего исследования – датьэкспериментальное и теоретическое обоснование основных механизмовструктуризации биологических жидкостей при переходе в твёрдую фазу впроцессе клиновидной дегидратации, установить характер структурныхизменений твёрдой фазы биологических жидкостей при патологии, создатьалгоритмы автоматизированного анализа, для выявления в структурномпортрете твердой фазы морфологических маркеров патологическихсостояний и степени тяжести их течения.Для достижения цели были поставлены следующие задачи:1.

Изучить динамику структуризации биологических жидкостей приклиновидной дегидратации, дать анализ комплекса процессов, которые витоге дегидратации формируют фацию.2. Создать математическую модель транспортного распределения белково-солевых компонент и формирования концентрационных зон при клиновидной дегидратации биологических жидкостей для описания процессовструктурной (системной и локальной) организации фации от начальныхэтапов испарения до полной потери свободной воды.3.

С помощью модельных жидкостей с различными сочетаниями белковых и солевых компонент, провести исследования процессов формирования структуры фации и периодичности образования ее элементов, а такжевыяснить зависимость характера структуризации фации от параметров исходной геометрии капли и динамики её изменений в процессе клиновиднойдегидратации биологических жидкостей.4. Раскрыть детали механизмов формирования морфологическихструктур в фациях модельных жидкостей для понимания процессов структуропостроения твердой фазы биологических жидкостей при клиновиднойдегидратации.5.