Диссертация (Моделирование структуры липополисахаридов и их роли в процессе патологического свертывания крови), страница 2

Иными словами,в терминах математической модели, динамика изменения концентрации тромбина в пространстве соответствует автомодельному решению системы, распространяющемуся с постоянной скоростью, и имеющему постоянный профиль. Многочисленные подтверждения этойгипотезы получены в разнообразных экспериментальных работах [9,10].

Тем не менее, аналитическое исследование математических моделей процесса свертывания крови существеннозатруднено сложностью рассматриваемой системы. Основные теоретические результаты по-7лучены для пространственно однородных моделей кинетики образования тромбина [11, 12],а также для упрощенных пространственно распределенных моделей, включающих в себяминимальное количество переменных [13].

В разделе 1 главы 3 представленной диссертацииприведено аналитическое исследование процесса распространения автоволны тромбина дляпространственно распределенной модели, описывающей основные реакции каскада свертывания.Помимо учета большого количества компонентов каскада свертывания крови, моделирование процесса тромбообразования существенно осложняется влиянием геометрии рассматриваемых систем на динамику формирования сгустка. Как было показано в модельных иэкспериментальных исследованиях, пространственные эффекты играют ключевую роль приобразовании сгустка вблизи поврежденной стенки сосуда в случае запуска внешнего путикаскада свертывания [9, 10].

Важнейшими факторами в таком процессе являются геометриясосуда, размер поврежденной области и скорость тока плазмы. Роль последних двух факторов проанализирована с использованием модели активации внешнего пути каскада свертывания крови при повреждении сосуда, описанной в разделе 2 главы 3. Активация контактной системы на инородных объектах в плазме крови, в свою очередь, зависит от площади иструктуры поверхности активатора [14].

Природа веществ, вызывающих активацию контактной системы при сепсисе, широко обсуждается [15, 16]. Результаты экспериментов invitroпоактивации факторов контактной системы демонстрируют потенциальную роль ЛПС в этомпроцессе [17,18]. При этом, существенное влияние на степень активации контактной системыоказывает склонность амфифильных молекул ЛПС к агрегации в водном растворе. Экспериментально было показано, что структура надмолекулярных агрегатов ЛПС существеннымобразом влияет на степень их биологической активности [19–21]. Модель активации контактного пути свертывания крови агрегатами ЛПС описана в разделе 3 главы 3.Влияние пространственной структуры ЛПС и ЛПС-агрегатов на особенности их взаимодействия с клетками организма хозяина, а также на степень устойчивости грамотрицательных бактерий к воздействию антибиотиков в составе клеточной стенки отмечено в различных экспериментальных работах [22, 23].

Тем не менее, природу наблюдаемых различий встепени активности разных типов ЛПС и ЛПС-структур часто невозможно объяснить, непринимая во внимание пространственную организацию как отдельных молекул ЛПС, таки их агрегатов. Экспериментальное исследование трехмерной структуры ЛПС осложняются существенной неоднородностью их химической структуры, а также неопределенностьюих конформаций, что особенно критично для дистальной полисахаридной части ЛПС, Оантигена, имеющего длину до сотен гексапиранозных остатков в случае патогенных штам-8мов [24]. Теоретическое решение задачи о пространственной укладке столь длинных цепейсродни решению задачи о фолдинге белка и сталкивается с аналогичными проблемами (парадокс Левинталя), но дополнительно осложнена тем, что никакой однозначно определеннойконформации для цепочек О-антигена не существует.

Более того, в реальных системах фолдинг цепей О-антигена всегда происходит при взаимодействии с другими молекулами и, темсамым, существенно зависит от окружения.В отсутствие прямых экспериментальных данных, в последние годы начинают появляться работы, посвященные моделированию структуры ЛПС и ЛПС-содержащих систем методами молекулярной динамики (МД). Моделирование конформационной динамики ЛПС вмембранном окружении проводилась для нескольких моделей ЛПС-мембранE. coli[25–27].В упомянутых моделях моделирование поведения О-антигена было проведено на минимальном, качественном уровне. Более подробные исследования конформационной подвижностиО-антигенов были проведены при моделировании свободных фрагментов О-антигена в растворе [28–32].

В то же время, при моделировании ЛПС-содержащих систем, влияние выборасилового поля и начальных условий на результаты моделирования все еще требует детального исследования (раздел 1–3 главы 4). В перспективе, аккуратно верифицированные МДмодели позволят пролить свет на молекулярные детали взаимодействия клеток грамотрицательных бактерий, а также фрагментов их клеточной стенки (раздел 6 главы 4), и агрегатовЛПС (раздел 5 главы 4) с белками каскада свертывания, а также лучше понять различия встепени активности ЛПС различных штаммов.Представленная работы имела две основные цели:∙ получить аналитические оценки условий формирования тромба при попадании в кровьЛПС;∙ исследовать пространственную структуру ЛПС и ЛПС-содержащих систем методоммолекулярной динамики.Для достижения целей работы были поставлены следующие задачи:∙ при помощи математических моделей оценить величину критического возмущения си-стемы свертывания, оценить скорость роста тромба и критический размер повреждения, ведущий к закупорке сосуда;∙ построить модель активации контактного пути каскада свертывания крови, учитывающей агрегатное состояние ЛПС;9∙создать и валидировать полноатомные модели молекул ЛПС, их мицелл и фрагментаЛПС мембраны;∙исследовать пространственную структуру свободных О-антигенных цепей в растворе,в составе мицелл и в мембранном окружении с использованием методов молекулярнойдинамики.Научная новизна работы.В работе проведено теоретическое исследование модели ос-новных реакций каскада свертывания крови и получены аналитические условия существования автоволновых решений и решений типа пульс, ранее сформулированные только дляболее простых систем.

Получена аналитическая оценка скорости распространения автоволныконцентрации тромбина, которую обычно оценивают по результатам вычислительного эксперимента или с использованием смешанного теоретического и вычислительного подходов.Впервые разработана математическая модель активации контактной системы на ЛПС агрегатах. Впервые проведен сравнительный анализ конформационного поведения МД моделидлинной полисахаридной цепи О-антигена в растворе для разных силовых полей. Впервыепостроены модели ЛПС-мицелл, содержащих в своем составе углеводную часть. Впервыепроведен сравнительный анализ конформационного поведения длинных цепей О-антигена вмембранном окружении для МД модели чистого ЛПС-бислоя и ЛПС-мембраны, содержащейв своем составе белок.Теоретическая и практическая значимость работы.Аналитические условия сходи-мости решения реакционно-диффузионной модели каскада свертывания к автоволне имеютважное значение для понимания общих принципов пороговой активации системы свертывания крови.

Математическое моделирование кинетики реакций контактной системы при ее активации ЛПС может пролить свет на некоторые механизмы ее функционирования в условиях грамотрицательного сепсиса. Разработка валидированных молекулярных моделей ЛПС,ЛПС-мембран и ЛПС-агрегатов необходима для анализа связи пространственной структурыЛПС с их биологической активностью, а также для разработки специфических сорбентов.Основными методами проведения диссертационного исследования являлась разработкаи анализ математических моделей, описывающих разные стадии процесса свертывания крови, а также моделирование методами молекулярной динамики пространственного устройстваЛПС-содержащих систем.10Положения, выносимые на защиту:∙ достаточным условием начала распространения автоволны тромбина в упрощенной модели каскада свертывания крови является превышение начальным возмущением решения стационарной системы типа пульс;∙ в небольших сосудах (венулах) образование тромба, закупоривающего сосуд, возможнопри размере повреждения, сравнимом с размером одного эндотелиоцита;∙ немонотонная зависимость степени активации контактной системы в ответ на попадание ЛПС обусловлена агрегатным состоянием ЛПС в растворе;∙ основным событием, ведущим к компактизации О-антигенаS.

typhi-murium,растворе, так и в мембранном окружении, является переход ванти -�как всостояние О-гликозидной связи между остатками маннозы и рамнозы;∙ увеличение длины углеводной части ЛПС в составе ЛПС-агрегатов ведет к стабилизации их структуры за счет взаимодействия О-анти-генных цепочек;∙ увеличение количества молекул в составе мицеллы ведет к снижению площади гидрофобной поверхности, экспонированной в раствор;∙ трехмерная организация О-антигенного слоя на поверхности мембраны в МД расчетахсущественно зависит от начального распределения цепей в плоскости мембраны;∙ присутствие остатка арабинозы в составе липидной части ЛПС может существенноувеличивать равновесную проекционную площадь ЛПС в мембране.Апробация работы.По теме диссертации автором опубликовано 6 статей в рецензируе-мых международных и российских изданиях, индоссируемых в базах данных Web of Science,Scopus, RSCI:1. T.