Введение к работе
Актуальность темы. Гемостаз – это эволюционно выработанная защитная система организма, основная задача которой состоит в минимизации кровопотери при нарушении целостности кровеносной системы, т.е. при повреждении стенки какого-либо кровеносного сосуда. В результате работы системы гемостаза повреждённое место оказывается закрыто гемостатической пробкой, состоящей из прочно агрегировавших тромбоцитов и фибриновой сети. Эта пробка препятствует вытеканию крови из сосуда на протяжении всего времени восстановления повреждённых тканей сосудистой стенки, а затем лизируется.
Нарушения работы системы гемостаза приводят к таким смертельно опасным состояниям, как кровоточивость (недостаточность гемостатической реакции) и тромбоз (её избыточность). Ввиду жизненной важности гемостатической системы для организма и опасности нарушений в её функционировании, на исследование устройства, механизмов регуляции гемостаза и разработку способов их коррекции направлены коллосальные усилия учёных всего мира. Традиционно, в первую очередь речь идёт о биохимии процесса: пристально изучается молекулярное устройство всех гемостатических звеньев, механизмы передачи сигнала в них и между ними и т.д. При этом зачастую за рамками рассмотрения остаётся биофизика тромбоцитарного звена, а именно – учёт физических условий кровотока, в котором протекает его работа в организме. Очевидно, что без учёта влияния потока целостное понимание картины работы гемостатической системы в организме невозможно.
Поток крови является естественной средой, в которой функционирует система гемостаза. Он перемещает компоненты этой системы в пространстве и механически воздействует на гемостатическую пробку. Почти половину объёма крови занимают эритроциты, биохимически в гемостазе не участвующие. Однако, достаточно давно известно, что физическое присутствие эритроцитов радикально изменяет характер течения крови и, в частности, поведение в ней тромбоцитов. Присутствие эритроцитов в крови, во-первых, приводит к перемещению большинства тромбоцитов из ядра потока в пристеночную область, т.е. к сильной неравномерности распределения тромбоцитов поперёк потока (Eckstein et al., 1987; Aarts et al., 1988). Во-вторых, оно увеличивает вероятность столкновения со стенкой тромбоцита, двигающегося в потоке уже рядом с ней (Goldsmith, 1971). В-третьих, оно сильно увеличивает скорость адгезии тромбоцитов к активной поверхности, каковой для тромбоцитов являются обнажённый субэндотелий сосудистой стенки, его компоненты или прочно адгезировавшие тромбоциты (Turitto and Baumgartner, 1975; Aarts et al., 1983). Влияние потока на тромбоциты во многом определяется также сдвиговым характером течения крови по сосудам – неравномерностью распределения линейной скорости течения поперёк потока. Эта неравномерность вызывает постоянные столкновения друг с другом эритроцитов, движущихся по параллельным траекториям, расстояние между которыми меньше размера эритроцита. Столкновения эритроцитов друг с другом приводят к хаотическому перемещению поперёк потока и самих эритроцитов, и плазмы между ними, что сильно усиливает поперечный транспорт в крови – так называемая сдвиговая диффузия, или сдвиговая дисперсия. До настоящего времени механизмы влияния эритроцитов и сдвигового характера течения крови на функционарование как тромбоцитов, так и системы гемостаза в целом, остаются недостаточно понятными.
В виду сложности процессов, протекающих при работе гемостаза в условиях потока крови, хорошим дополнением, а зачастую и самостоятельным методом их исследования является построение математических моделей. Так, модели типа “диффузия-конвекция” с граничными условиями, описывающими адгезию к активной стенке, использовались в исследованиях адгезии тромбоцитов в проточных камерах in vitro (Turitto and Baumgartner, 1975). Применение этих моделей было принципиальным для планирования экспериментов и интерпретации их результатов. Именно на основании математического моделирования указанные авторы пришли к заключению о существовании различных режимов адгезии тромбоцитов из потока – диффузионного и кинетического. Однако, к настоящему моменту эти модели можно считать устаревшими, поскольку они не учитывают недавние экспериментальные отрытия в механизмах адгезии тромбоцитов – стадийность и существенную обратимость адгезии (Kulkarni et al., 2000). Кроме того, определяемая с помощью этих моделей эффективная константа скорости адгезии оказывается зависящей от скорости сдвига и гематокрита, а значение коэффициента сдвиговой диффузии систематически отличается от измеренного независимыми от адгезии методами (Diller, 1988). Следовательно, указанные модели нуждаются в пересмотре и коррекции.
Неравномерность распределения тромбоцитов поперёк потока в существующих математических моделях либо всецело игнорируется, либо вводится феноменологически. Между тем, известно, что эта неравномерность в значельной степени определяется объёмной долей эритроцитов в крови. Распределение эритроцитов поперёк потока крови неравномерно: их объёмная доля практически всегда максимальна в центре потока и минимальна у стенок. Очевидно, что такое распределение эритроцитов может рассматриваться как вероятная причина неравномерного распределения тромбоцитов. Однако конкретный механизм этой связи недостаточно понятен, а наблюдающаяся в эксперименте степень неравномерности распределения тромбоцитов сильно превосходит оценки, получающиеся в предположении равномерного их распределения в межэритроцитарном пространстве. Уже более 30 лет назад было выдвинуто предположение, что существенную роль в вытеснении тромбоцитов эритроцитами к стенкам играет собственный размер тромбоцитов, мешающий им поместиться между плотно соприкасающимися в центре потока эритроцитами (Blackshear, Jr. et al., 1977). Согласно этому предположению, вследствие конечности своего размера тромбоциты сильнее вытесняются из центра (“ядра”) потока, чем, например, окружающая эритроциты плазма крови. До настоящего момента это предположение, несмотря на его простоту, не получило теоретического обоснования, но и не было опровергнуто.
Таким образом, механизмы влияния эритроцитов на тромбоциты в потоке крови до сих пор остаются недостаточно понятными. Поэтому цель данной работы состояла в том, чтобы исследовать влияние эритроцитов на распределение тромбоцитов поперёк потока и на их адгезию к активной (т.е. адгезивной – способной поддерживать адгезию тромбоцитов) стенке теоретически – путём построения количественных математических моделей этих процессов, учитывающих физическое взаимодействие тромбоцитов с эритроцитами.
Цель работы: теоретическое исследование роли эритроцитов в регуляции работы тромбоцитарного звена гемостаза.
Задачи исследования:
-
Построить математическую модель неравномерного распределения тромбоцитов поперёк потока крови, учитывающую конечность размера эритроцитов и тромбоцитов.
-
С помощью построенной модели распределения тромбоцитов в потоке крови исследовать роль конечности их размера в процессе вытеснения эритроцитами из ядра потока к стенке.
-
Построить математическую модель адгезии тромбоцитов из потока крови на активную поверхность, учитывающую транспорт тромбоцитов в потоке, их столкновения с эритроцитами вблизи стенки и стадийность адгезии.
-
С помощью построенной модели адгезии тромбоцитов оценить роль их пристеночных столкновений с эритроцитами в процессе доставки на стенку.
Научная новизна. В работе построены количественные математические модели миграции тромбоцитов поперёк потока крови и адгезии тромбоцитов к активной поверхности. Эти модели основаны на учёте механического (физического) воздействия эритроцитов на тромбоциты в условиях потока; математическая модель адгезии тромбоцитов также учитывает новейшие представления о стадийности и обратимости их адгезии. Построенные модели всесторонне верифицированы сравнением с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что сильная неравномерность распределения тромбоцитов поперёк потока крови может возникать исключительно из-за их пассивного вытеснения эритроцитами из ядра потока (где концентрация эритроцитов максимальна) к стенке (где концентрация эритроцитов минимальна), и существенный вклад в этот процесс вносит собственный размер тромбоцита. Также показано, что доставка тромбоцитов из потока крови на активную поверхность может быть обеспечена исключительно столкновениями тромбоцитов с эритроцитами, происходящими в непосредственной близости от этой поверхности.
Научно-практическое значение работы: достигнуто более глубокое понимание фундаментальных механизмов, управляющих процессами доставки тромбоцитов к месту их адгезии и агрегации. Построенные математические модели миграции тромбоцитов поперёк потока крови и их адгезии могут применяться для интерпретации экспериментальных результатов in vitro тестов функционального состояния тромбоцитов (методы с использованием проточных камер), при проектировании новых приборов для исследования тромбоцитарной адгезии и сепарации крови, а также для построения более сложных математических моделей системы гемостаза – в частности, модели образования и роста тромбоцитарного тромба in vivo.
Положения, выносимые на защиту:
-
Неравномерность распределения тромбоцитов поперёк кровотока в основном обусловлена их пассивным вытеснением эритроцитами из области большего в область меньшего локального гематокрита.
-
Доставка тромбоцитов из потока крови на активную поверхность в основном обеспечивается столкновениями тромбоцитов с эритроцитами, происходящими в непосредственной близости от этой поверхности.
Апробация работы состоялась 10 ноября 2011 г. на заседании проблемной комиссии «Фундаментальные исследования в гематологии, трансплантологии, трансфузиологии: Гемопоэз, молекулярная биология, биотехнология, иммуногематология; биохимия; биофизика» ФГБУ ГНЦ Минздравсоцразвития России. Результаты работы докладывались на конференциях: III Всероссийская научная конференция «Клиническая гемостазиология и гемореология в сердечно-сосудистой хирургии» (Москва, 2007), «Моделирование болезней крови» (Франция, 2007), «3я Европейская летняя школа по биореологии и симпозиум по микро– и наномеханике и механобиологии клеток, тканей и систем» (Болгария, 2009), «Математические модели и численные методы в биоматематике» (Москва, 2011) и «Пятая всероссийская школа-конференция по физиологии кровообращения» (Москва, 2012).
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 6 статей в рецензируемых журналах и 3 тезисов в трудах конференций.
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав (глава 1 – обзор литературы, глава 2 – методы исследования, глава 3 – результаты и глава 4 – обсуждение), выводов, шести приложений и списка литературы, включающего 291 источник.
