Диссертация (1103678), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Получены оценки границ осмотического давления, в пределах которых модель адекватна объекту исследования. Предложен способ построения зависимости объема от давления для эритроцитов, имеющих разные механическиесвойства. Для области деформирования с увеличением площади поверхностипредложена система уравнений, определяющая два типа деформации – сдвиг ирастяжение, что обеспечивает более точное описание деформированных состояний мембраны;– разработанная математическая модель регуляции объема эритроцита впервые позволяет с удовлетворительной точностью описать регуляцию объема эритроцита с учетом механических характеристик мембраны;– разработанная математическая модель деформирования локального дефекта типа поры в мембране эритроцита под действием осмотического давлениявпервые позволяет с удовлетворительной точностью определять диаметр поры взависимости от характеристик структуры мембраны (геометрических и механических) и величины натяжения липидного бислоя.Достоверность результатов расчета изменений формы эритроцита обеспечивается исследованием сходимости используемых методов интегрированиянелинейных дифференциальных уравнений; использованием стандартных пакетовприкладных программ; сопоставлением результатов, полученных разными методами, и с экспериментальными данными.
Использование безмоментной моделипри изучении регуляции объема эритроцита дало совпадение вычисленных значений объема эритроцита с экспериментальными результатами в пределах 5–10 %.9Результаты расчета жесткости при сдвиге мембраны эритроцита по безмоментноймодели с точностью до 3–5 % совпадают с результатами экспериментальных исследований.
Метод минимальных жесткостей, примененный к расчету изгибнойжесткости мембраны эритроцита, обеспечивает совпадение полученных значенийс экспериментальными данными в пределах 10–15 %. Полученные в работе численным методом значения радиуса поры в растянутой липидной мембране совпадают с результатами вычисления аналитическим методом. Вычисленные предложенным методом и экспериментально полученные в ряде экспериментов значениядиаметров пор близки по величине.Практическая значимость работы.
Предложенный метод математического анализа регуляции объема эритроцита с учетом упругого воздействия оболочкиэритроцита на обменные процессы позволяет выполнять численные эксперименты и определять такие параметры, как концентрации ионов K+, Na+, Cl– внутри ивне клетки, трансмембранную разность потенциалов и изменения объема, что позволяет сократить объем экспериментальных исследований. Предложенная в работе система уравнений может быть дополнена уравнениями, описывающимипрочие обменные процессы, что расширит область ее применения.
Численныеэксперименты с использованием разработанного метода практически значимы настадии планирования лабораторных исследований. Метод расчета процесса деформирования поры в мембране эритроцита позволяет определять величину диаметров пор в зависимости от осмотического давления, используя экспериментальные значения геометрических параметров структуры мембраны и поверхностного натяжения липидного бислоя мембраны. Количественная модель деформирования поры в растянутой мембране эритроцита перспективна для использования при разработке новых лекарственных форм и биореакторов на базе эритроцитов.
Поскольку метод расчета пор определяет критические нагрузки, соответствующие началу гемолиза, он может быть использован при разработке искусственных насосов крови.10Основные положения, выносимые на защиту:– математическая модель упругого деформирования мембраны эритроцитакак безмоментной тонкостенной оболочки с возможностью больших перемещений и деформаций под действием осмотического давления, определяющая зависимость объема эритроцита от величины осмотического давления в широком диапазоне его положительных значений;– математическая модель регуляции объема эритроцита с учетом механических характеристик мембраны и ее область применения;– метод расчета процесса деформирования поры в растянутой под действием осмотического давления мембране эритроцита и его применение к анализу механизмов деформации.Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 6-ой научнотехнической конференции «Медико-технические технологии на страже здоровья»(«медтех-2004»,Россия), на научном семинаре кафедры «Прикладная механика»МГТУ под руководством профессора В.А. Светлицкого (МГТУ им. Н.Э.Баумана,2006); на междисциплинарном семинаре №4 «Экобионика» (МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2007), на научном семинаре в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова (Московский ежемесячный семинар молодых ученых и студентовпо проблемам машиноведения под руководством чл.-корр. РАН Н.А.
Махутова,2012).Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 7 публикаций.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав,общих выводов, списка литературы из 182 наименований. Работа изложена на 151странице, содержит 58 рисунков и 16 таблиц.111 Обзор литературы1.1 Изучение свойств и изменений формы эритроцита1.1.1 Особенности структуры эритроцитаОсновной функцией эритроцитов является их способность обратимо связывать кислород и углекислый газ и транспортировать их в системе кровообращения. Эритроциты составляют около 40% объема циркулирующей крови человека.Эритроцит человека представляет собой безъядерную клетку, имеюшую осесимметричную форму двояковогнутого дискоцита диаметpом 7.5−8.7 мкм и толщиной 1.5−2.8 мкм.
Значения изотонического объема эритpоцитов здоровых доноров, измеренные различными методами, лежат в диапазоне 84−107 мкм3. Площадьповерхности эритроцита на 30−40 % превышает площадь поверхности сферы такого же объема и составляет 120−155 мкм2.
Благодаря избыточной площади поверхности эритроциты обладают способностью проходить через узкие кровеносные капилляры диаметpом около 3 мкм и щели в селезенке шиpиной 0.2−0.5 мкм.Мембрана эритроцита содержит от 10 до 12 основных и несколько сот другихбелков, общее количество которых относительно невелико.
К числу последнихотносится ацетилхолинэстераза (0.25 %). Основные белки получили свои названия, в соответствии с их электрофоретической подвижностью (SDS-PAGE электрофорез): Band 3, Band 4 и т. д. Интегральные белки мембраны связаны с липидным бислоем и являются гликопротеинами. Периферические белки образуют цитоскелет эритроцита [1,2].Подобно мембранам всех клеток млекопитающих, мембpана эpитpоцита,состоит из тpех слоев. Наpужный слой обpазован гликокаликсом, сpедний - липидным бислоем, внутpенний - сетью белков, называемый цитоскелетом.Липидный бислой содержит примерно равные количества холестерина ифосфолипидов.
Относительное содержание холестерина играет существеннуюроль, изменяя физико-химические и физиологически значимые свойства мембраны эритроцита. Фосфолипиды представлены, в основном, сфингомиелином (SM,25 %), фосфатидилхолином (PC, 28 %), фосфатидилэтаноламином (PE, 6 %) и12фосфатидилсерином (PS, 13 %), а также имеются около 2 % фосфатидиловой кислоты, 1 % фосфатидилинозитола и 1 % лизофосфатидилхолина [3,4].Фосфолипиды расположены в мембране асимметрично: в наружном слоепреобладают сфингомиелин (более 85 %) и фосфатидилхолин (65−75 %), а вовнутреннем – фосфатидилэтаноламин (80−85 %) и фосфатидилсерин (более 96 %)[5,6].
Асимметрия мембраны поддерживается специфическими механизмами,контролирующими распределение фосфолипидов [7]. Было показано, что за распределение и перемещение фосфолипидов между внутренним и наружным лифлетами мембраны ответственны три разных фермента, или вернее, три разныхферментативных активности.Одна из важнейших функций биомембраны заключается в изоляции эритроцита от внешней среды и сохранении автономности внутреннего состава вещества. Благодаря этому поддерживаются равновесные концентрации необходимыхвеществ, ограничивается поступление чужеродных веществ, не участвующих впроцессах жизнедеятельности. Кроме того, мембрана осуществляет транспортнуюфункцию: через неё в эритроцит поступают вода, соли, неорганические ионы, сахара, аминокислоты, другие низкомолекулярные вещества и такие высокомолекулярные соединения, как белки.Согласно концепции С. Сингера и Дж.
Никольсена (1972г.) о жидкостномозаичной структуре мембран, молекулы, образующие их структуру, обладаютподвижностью только в плоскости поверхности мембраны, и такая мозаичнаяжидкая система ведет себя как слой двухмерной жидкости. Вместе с тем, эксперименты свидетельствуют, о том, что мембрана обладает свойством твердого тела– упругостью [1,2,8]. В первом приближении считают, что мембрана эритроцитасостоит из двух слоев: липидно-белкового бислоя − 1, и сети спектрина (цитоскелета) − 2 (рисунок 1.1).Молекулы липидов способны совершать различного рода движения: вращение вокруг своей оси, колебательные движения и т. д.
С меньшей скоростью ониспособны к переходу поперек бислоя и к выходу из него. Подвижность белковопределяется как их свойствами, так и микровязкостью липидного окружения,13121 – липидно-белковый слой,2 – слой цитоскелетаРисунок 1.1 − Схема строения мембраны эритроцита [1,2,8]фазовым состоянием липидов. Липиды оказывают воздействие на подвижностьмембранного белка, а сами молекулы белка модифицируют бислой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
