Введение к работе
Актуальность темы. Коллаген является основным структурным белком в организмах млекопитающих и составляет каркас матрикса соединительных тканей. Важнейшей функцией соединительных тканей является механическая, во всем своем многообразии: опора, сочленение, объединение, передача нагрузки, защита и другие. Каждой разновидности механической функции соответствует своя структура каркаса матрикса, которая определяется способом укладки коллагена и его взаимодействием с другими макромолекулами внеклеточного матрикса ткани. Даже незначительные нарушения структуры могут приводить к существенному отклонению в функционировании органа. Поэтому существует проблема определения структурных изменений в ткани и подходов к коррекции обнаруженных нарушений и функций.
Выявление взаимосвязи структуры и функции материала является общей естественнонаучной проблемой. При этом стабильность объекта, являясь, с одной стороны, характеристикой структуры, с другой - напрямую определяется его функцией. В физической химии особую роль играет термическая стабильность, которая позволяет для сложных, многокомпонентных, многофазных объектов оценить самые общие термодинамические свойства и дает возможность анализа структурно- функциональных связей в данном объекте. Для выделенного коллагена (в растворе и волокнах) уже установлены количественные термодинамические характеристики перехода из нативной упорядоченной конформации в форму случайного клубка: температура Тд и энтальпиАН д его денатурации. Информация об этом явлении для коллагена, находящегося в составе реальной ткани, крайне скудна и не систематизирована, хотя преимущества использования Тд и АНд кажутся очевидными, как в качестве первого шага структурного исследования ткани и ее заменителей, так и для диагностики патологических структурных изменений в ткани.
Значительное место в современных медицинских технологиях занимает метод локальной (в том числе - лазерной) гипертермии, когда в основе структурных изменений лежит денатурация коллагена, либо целевые структурные изменения протекают при температурах, равных или несколько превышающих Тд. При осуществлении локального ИК лазерного нагрева соединительных тканей условия обработки (такие, как время и температура нагрева) зачастую оказываются далеко не оптимальными, а результаты - плохо предсказуемыми, так как в экспериментальных исследований редко принимается во внимание специфическая архитектоника конкретных тканей. Таким образом, актуальной задачей является научное обоснование применения метода локального нагрева для модификации соединительных тканей в клинической практике.
Настоящая работа, направленная на исследование стабильности коллагена в соединительных тканях различного типа, состоит из двух частей. В первой части обосновывается использование термической стабильности, как структурной и функциональной характеристики матрикса соединительных тканей различного типа, а во второй - исследуется устойчивость этих тканей в условиях неоднородного лазерного нагрева. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, тема «Химические реакции в разрядах и при фотохимическом и лазерном инициировании», № гос. регистрации 01.200.115171. В течение 10 лет исследования осуществлялись при финансовой поддержке РФФИ (99-02-16855-а, 00-02- 16263-а, 01-02-17743-а, 02-02-16246-а, 04-02-16743-а, 05-02-16902-а, 06-08- 00950-а, 07-02-12080-офи, 07-08-00448-а, 08-02-00583-а, 09-02-00714-а), в том числе проектом № 07-02-00749-а, руководителем которого автор диссертации непосредственно являлся. Работа поддерживалась также грантами АФГИР (RUP2-2660-M0-05) и МНТЦ (3360).
Цели работы
-
Охарактеризовать состояние коллагена в соединительных тканях и установить взаимосвязь между структурными и термодинамическими параметрами стабильности коллагена в этих тканях с применением современных физико-химических методов.
-
Определить особенности действия локального лазерного нагрева на матрикс соединительных тканей и выявить факторы, определяющие стабильность коллагена в этих условиях.
Научная новизна
Впервые проведено систематическое исследование термической стабильности коллагена в тканях с разной архитектоникой и химическим составом матрикса. Выявлена взаимосвязь между термодинамическими параметрами денатурации коллагена и свойствами матрикса. Установлено, что иммобилизация фибрилл и волокон коллагена за счет взаимодействия с сеткой протеогликановых агрегатов или внедрения их в более плотную ткань является важнейшим фактором стабильности коллагена в ткани. Нарушение целостности единой структуры органа приводит к значительному уменьшению термической стабильности коллагена.
Впервые показано, что использование термодинамических характеристик денатурации коллагена в соединительных тканях совместно с химическим анализом и данными оптических методов визуализации, позволяет определять состояние коллагена в тканях и его изменения в результате патологических процессов или целевой модификации. Разработанный в диссертации подход является достаточно эффективным и информативным методом определения структурных и функциональных особенностей матрикса соединительных тканей, а также их изменений при различных воздействиях на ткань.
Впервые выявлено принципиальное различие в поведения коллагеновой сети в тканях с волокнистой структурой при осуществлении гидротермального и ИК лазерного нагрева умеренной интенсивности. Это различие обусловлено развитием механической дезорганизации упаковки коллагена в условиях нестационарного и неоднородного в пространстве температурного поля при ИК лазерном воздействии (фототермо- механический эффект). Показано, что при ИК лазерном нагреве денатурация коллагена в тканях возможна при температурах более низких, чем температура денатурации коллагена в калориметрической ячейке. Предложена схема модификации волокнистых структур ИК лазерным излучением умеренной интенсивности.
Впервые показано, что характер изменений матрикса и его коллагеновой подсистемы зависит от состава и надмолекулярной организации матрикса ткани. В частности, в гиалиновом хряще носовой перегородки дезорганизацию претерпевает главным образом протеогликановая подсистема, а в жировой ткани - подсистема триацилглицеридов.
Практическая значимость
Разработанная методология комплексного физико-химического анализа соединительных тканей, включающая термический и химический анализы, а также методики оптической диагностики, однозначно характеризует состояние коллагена в тканях, что дает молекулярную основу для разработки новых методов коррекции функции тканей.
Обнаруженный фототермомеханический эффект воздействия ИК лазерного излучения умеренной интенсивности на соединительные коллагенсодержащие ткани, приводящий к дезорганизации матрикса ткани, необходимо учитывать при разработке клинических методов модификации ткани с использованием лазерных технологий. Выявленная корреляция между составом и архитектоникой ткани и ее откликом на неоднородный нагрев дает важный вклад в разработку научных основ метода локальной гипертермии коллагенсодержащих тканей с патологическими изменениями.
Полученные в работе данные позволяют предсказать степень деградации соединительной ткани при термическом и ИК лазерном воздействии и дают научную основу выбора режимов ИК лазерного воздействия, обеспечивающего желаемый терапевтический эффект.
Личный вклад автора
В диссертации представлены результаты исследований, выполненных лично автором, при его решающем участии или под его руководством в период с 1998 по 2010 г. на кафедре физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова в рамках дипломных работ студентов и кандидатских диссертаций С.В. Аверкиева и Н.А. Данилова, руководителем и со-руководителем которых являлся автор. Личный вклад автора в настоящую работу состоит: в формулировке ее концепции, основных положений и выводов; в разработке экспериментальных методик и проведении экспериментов; обработке, анализе и обобщении результатов. Морфологический анализ выполнен д.м.н., проф. Шехтером А.Б. (МГМУ им. И.М. Сеченова). Часть работы выполнена в соавторстве с сотрудниками
Института проблем лазерных и информационных технологий РАН. Большое влияние на работу оказали академик РАН, д.х.н., проф. В.В.Лунин и научный консультант д.ф.-м.н., проф. Баграташвили В.Н.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на ряде российских и международных конференций, в их числе:
V международная конференция по лазерной физике (2001, Москва), IX, X, XI и XIV международные конференции «Новые информационные технологии в медицине и экологии» (Гурзуф, Украина, 2001, 2002, 2003 и
гг.), международная конференции «Лазеры: применение и технологии» (Москва, 2002 г.), XIII международная конференции по биологической калориметрии (Вюрцбург, Германия, 2003 г.), 4-я всероссийская Каргинская конференция "Наука о полимерах 21-му веку" (Москва, 2007 г.), международная конференция "Применение лазеров в науках о жизни" (Москва, 2007 г.), 15 и 16 международные конференция по современным лазерным технологиям (Леви, Финляндия, 2007 г., Шиофок, Венгрия, 2008г.), XVI и XVII международной конференции по химической термодинамике в России (Суздаль, 2007 г., Казань 2009 г.), конференция «Биомеханика глаза» (Москва, 2007 и 2009 гг.), III конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (Троицк, 2008 г.), 16-й конгресс Европейского общества по биомеханике, (Люцерн, Швейцария,
г.), 12-я и 13-я международные конференции по миопии (Сидней, Австралия, 2008 г., Тьюбинген, Бельгия, 2010 г.), конгресс европейского общества офтальмологов, (Амстердам, Голландия, 2009 г.), II международный симпозиум «Актуальные проблемы биофотоники» (Нижний Новгород, 2009 г.), III евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии (Москва, 2010 г.), и другие престижные российские и международные форумы, конференции и семинары.
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 39 статей в рецензируемых российских и международных изданиях и более 30 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура диссертации
Работа состоит из введения, 4 глав и общих выводов. Работа изложена на 307 страницах машинописного текста и включает 25 таблиц, 160 рисунков и список литературы из 640 наименований.
![Клинико-диагностическое значение некоторых цитокинов и аутоантител к коллагенам при недифференцированной дисплазии соединительной ткани [Электронный ресурс]](/i/i/4240/175455.png "Клинико-диагностическое значение некоторых цитокинов и аутоантител к коллагенам при недифференцированной дисплазии соединительной ткани [Электронный ресурс] Семенова Алина Борисовна")
