Диссертация (Биофизические механизмы формирования твердофазных структур биологических жидкостей человека)

ФГБНУ Институт физиологии им. И.П. ПавловаРоссийской академии наук,ФГБНУ Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха,горла, носа и речи Минздрава РФНа правах рукописиШАБАЛИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧБИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДОФАЗНЫХ СТРУКТУРБИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА03.01.02 – БиофизикаДиссертация на соискания учёной степенидоктора биологических наукНаучный консультант:член-корреспондент РАН, доктормедицинских наук, профессор В.О. СамойловСанкт-Петербург2018ОглавлениеВведение5Глава 1. Характер взаимодействия органических и минеральныхкомпонентов в биологических жидкостях и механизмыдегидратационной самоорганизации (обзор литературы)151.1. Физико-химическая основа процессов самоорганизациибиологических жидкостей161.1.1. Вода как основной компонент биологических жидкостей161.1.2.

Биологические жидкости как высокодисперсные системы181.1.3. Свойства биологических жидкостей человека261.2. Современные подходы к анализу процессовсамоорганизации биологических жидкостей351.2.1. Основы структурной самоорганизации биологическихжидкостей351.2.2. Физико-химические свойства биологических жидкостей,влияющие на самоорганизацию в процессе дегидратации441.2.3. Структурная самоорганизация биологических жидкостейпри клиновидной дегидратации471.3 Обработка изображений с использованием методовстатистического и текстурного анализа591.3.1. Обработка цифровых изображений методами фильтрации исегментации611.3.2. Методы описания текстур для морфометрическихисследований объектов в микроскопии701.3.3.

Методы нахождения графических особенностейизображенийГлава 2. Материалы и методы исследования2.1. Материал исследования2.2. Материально-техническое обеспечение2.3. Методы исследования778686889332.3.1. Метод клиновидной дегидратации932.3.2. Компьютерная обработка изображений фацийбиологических жидкостей полости рта и носовой полости952.3.3. Методы компьютерной обработки и анализа изображенийструктур фаций биологических жидкостей972.3.4. Методы математического моделирования процессовструктурирования биологических жидкостей приклиновидной дегидратации2.3.5. Методы статистической обработки результатов102103Глава 3. Клиновидная дегидратация естественныхбиологических и модельных жидкостей1053.1.

Испарение и транспорт растворенных компонент в каплемодельных жидкостей с учетом конвекции-диффузии1083.2. Энергетический подход к моделированию формы каплибиологических жидкостей при клиновидной дегидратации1313.3. Влияния модельных параметров на размер и форму каплибиологических жидкостей в процессе дегидратации3.3.1.

Изменение объема капли при испарении1481483.3.2. Модельные расчеты изменения объема каплибиологических и модельных жидкостей с учетом динамикиформы капли1583.3.3. Модельные расчеты скорости испарения каплибиологических и модельных жидкостей с учетомзависимости от температурного фактора164Глава 4. Процессы структурообразования при клиновиднойдегидратации биологических и модельных жидкостей1724.1.

Формирования фаций солевых и белково-солевыхмодельных жидкостей при клиновидной дегидратации1724.2. Упорядоченные кольцевые структуры в испаряющейсякапле белково-солевых модельных жидкостей2014Глава 5. Компьютерная идентификация отличительныхпризнаков и маркеров в текстуре фаций биологическихжидкостей2315.1. Условия формирования структур фации в зависимости отпараметров капли биологических жидкостей и влажностисреды5.2. Статистический233анализтекстуризображенийфацийбиологических жидкостей и формирование отличительныхпризнаков2485.3. Автоматизированный анализ линейных структур втекстуре изображений фаций сыворотки крови2665.4.

Компьютерная идентификация структурныхмаркеров в текстуре изображений фацийбиологических жидкостейЗаключениеВыводыСписок сокращений и условных обозначенийСписок литературы2903233303323335ВведениеАктуальность темы исследования. Одной из важнейших системобеспечения жизнедеятельности организма является его внутренняя среда.По определению Клода Бернара внутренняя среда – это совокупностьбиологических жидкостей, принимающих участие в процессах обменавеществ.

Внутренняя среда представляет собой отражение сложнейшей интеграции жизнедеятельности разных клеток, тканей, органов и систем. Вбиологических жидкостях (БЖ) происходят высоко скоростные изменениямолекулярного состава и характера взаимодействия различных компонентовв физиологических, экстремальных и патологических состояниях. Любые,как физиологические, так и патологические процессы, протекающие в живоморганизме, в своей основе представляют собой специфические измененияструктуры белковых и других органических молекул.

Такие измененияявляютсянаиболееинформативнымиприисследованиигомеостазамолекулярного уровня и могут служить основой для диагностики различныхзаболеваний на самых ранних стадиях.Известно, что концепция взаимоотношения структуры и функции занимает центральное место в биологии и медицине.

Однако морфологическийподход в современной биологии и медицине сосредоточен, главным образом,на клеточных элементах, в то время как проблеме структурного анализа биологических жидкостей в интересах клинической медицины, внимание исследователей фактически не уделялось.Современная лабораторно-клиническая диагностика сосредоточена,главнымобразом,показателей,наопределениинаходящихсявмногочисленныхбиологическихколичественныхжидкостейпродуктовжизнедеятельности организма. В результате клиническая диагностикачрезмерно перегружена разрозненными фактическими данными, в то времякак диагностической информации, интегрально отражающей состояниеорганизма и его динамику не хватает. Возможно, это связано с тем, чтоморфологические исследования в биологии и медицине сосредоточены,6главным образом, на клеточных элементах, в то время как морфологическийанализ БЖ - базисной системы обеспечения жизнедеятельности – до последнего времени оставался для клинической практики недоступным.Степень разработанности темы исследования.

Принципиальное изменение в решение этой проблемы внёс, разработанный отечественными авторами, метод клиновидной дегидратации (Шатохина С.Н. 1995). Данныйметод, в результате системной организации БЖ в процессе её перевода втвёрдую фазу, позволяет получить сухую пленку (фацию) с четким изображением фиксированных структур, различающиеся по форме, системному илокальному характеру построения, занимаемой площади, месторасположению, цвету и другим параметрам.Важным разделом изучения фазовых переходов БЖ является анализсил и потоков внутри испаряющейся капли, которые обеспечивают построение структуры её твёрдой фазы.

Капля, лежащая на горизонтальнойплоскости, является удобной моделью самоорганизующейся системы дляисследованияфизико-химическихпроцессов,свойствакоторыхопределяются составом растворённых веществ в жидкости, внешнимиусловиями дегидратации и материалом подложки. В итоге клиновиднойдегидратации капли БЖ формируется сухая плёнка – «фация», структура которой несёт информацию о составе и взаимоотношениях веществ, растворённых в БЖ.Многочисленные и разнообразные процессы, происходящие в БЖ спозиций синергетики можно рассматривать как самоорганизующиеся(Князева Е.Н., 2002). Эти процессы могут чётко прослеживаться при такназываемых неравновесных фазовых переходах, одним из видов которыхявляется переход жидкости в твёрдую фазу в процессе высыхании (ЯхноТ.А., 2004). Такого рода фазовый переход позволяет перевести организациюБЖнаболеевысокийуровеньизафиксироватьнеустойчивыемежмолекулярные связи.

При этом, изучая систему на макроскопическомуровнееесамоорганизации,исследовательполучаетинформацию7относительно поведения системы на молекулярном уровне.Следуетподчеркнуть,чтоединственнойсамоорганизующейсямакроструктурой жидкости является капля, все остальные структурные формынавязаныжидкостивнешнимифакторами.Поэтомусистемнуюсамоорганизацию жидкости наиболее удобно изучать в капле.Структура фации начинает формироваться уже на начальном (гидродинамическом) этапе, когда биожидкость представляет собой слабый растворвходящих в ее состав веществ (Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., 1986, Уайт А.,ХендлерФ.,1981).Наэтомэтапепроисходитпространственноеперераспределение первоначально равномерно распределенных компонентраствора по площади фации в соответствии с их физико-химическимипараметрами.В процессе высыхания в капле создаются градиенты температуры, концентрации растворенных веществ (взвешенных частиц) и коэффициента поверхностного натяжения.