1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Проблема устойчивого функционирования основной клетки крови – эритроцита – до настоящего времени недостаточно изучена. Существующие многочисленные исследования в данной области касаются отдельных сторон данного явления, однако, целостной картины в рамках полной самосогласованной количественной модели клетки до сих пор не создано. Новые исследования часто посвящены созданию новых альтернативных математических моделей частных процессов (например, предложено несколько различных механизмов работы мембранных ионных обменников и др.), а не согласованию разных моделей между собой, что еще больше затрудняет создание объединенной модели клетки. Также стоит отметить, что существует общая проблема исследования химических процессов в коллоидных системах (к которым относится и водная дисперсия эритроцитов). Проблема связана с тем, что традиционные теоретические и экспериментальные подходы не учитывают распределения диспергированных микрочастиц по параметрам, а оперируют средними значениями от функций распределения. Во многом это обусловлено тем, что существующие анализаторы одиночных частиц, которые напрямую измеряют функции распределения, имеют существенные ограничения по способности идентифицировать частицы по морфологическим параметрам (размер, показатель преломления, параметры формы и внутренней структуры) и редко применяются для кинетических исследований. Данная проблема становится все более актуальной в связи с развитием современных технологий на уровне одиночных микрочастиц (в том числе биологических клеток).
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Конкретная задача состоит в создании и экспериментальном подтверждении полной самосогласованной теории лизиса эритроцитов в изотоническом водном растворе хлорида аммония. Ее практическое значение заключается в формировании основ нового метода динамической характеризации эритроцитов в процессе гемолиза коллоидно-осмотического типа, лимитированного скоростью работы основного анионного обменника мембраны эритроцита (белка полосы 3). При этом наблюдаемая динамика клеточной популяции зависит от функции распределения клеток по своим морфологическим и функциональным параметрам. Исследование в данной области представляется важным для биологии, экологии и медицины.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
Экспериментальное исследование осуществляется с применением оригинальной установки сканирующего проточного цитометра, позволяющей более информативно измерять и характеризовать одиночные клетки по их угловой зависимости (индикатрисе) светорассеяния. Новизна теоретического моделирования заключается в создании полной самосогласованной детальной математической модели лизиса эритроцитов в изотоническом водном растворе хлорида аммония на основе выбора и объединения нескольких разрозненных частных химических и физических моделей, отражающих разные стадии данного процесса и касающихся мембранного транспорта, буферных и осмотических свойств клетки, а также динамики сферизации, растяжения и разрыва мембраны с учетом различия индивидуальных эритроцитов по параметрам. Обработка полученных экспериментальных данных по гемолизу с использованием предложенной математической модели позволяет определять распределения как стационарных (объем, площадь поверхности, количество внутриклеточного гемоглобина) так и динамических (проницаемость и динамическая прочность мембраны) параметров эритроцитов по популяции.
4. Полученные результаты и их значимость.
1) Разработан алгоритм определения параметров одиночной несферической частицы (эритроцита) по пикам спектрального (Фурье) разложения модифицированной (фильтрация окном Ханнинга) индикатрисы светорассения [1].
2) Проведено экспериментальное исследование лизиса эритроцитов в изотоническом растворе хлорида аммония методом спектральной дискриминации и характеризации эритроцитов по индикатрисе светорассеяния измеренной на сканирующем проточном цитометре в режиме реального времени процесса. Разработана математическая модель данного процесса, описывающая динамику изменения объема эритроцита и последующего разрушения эритроцитарной мембраны. Применение модели с учетом функции распределения по морфологическим и динамическим параметрам клеток позволило экспериментально определить распределение эритроцитов (в популяции) по количеству мембранных анионных каналов (белка полосы 3) и пределу динамической прочности мембраны на растяжение [2].
3) Проведено экспериментальное исследование влияния импульсного инфракрасного излучения на резистентные к гемолизу (в изотоническом водном растворе хлорида аммония) свойства эритроцитов методом измерения угловой зависимости светорассеяния одиночных частиц на сканирующем проточном цитометре [3].5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Развиваемые авторами оригинальные экспериментальные и теоретические методы находятся на уровне современных достижений в данной области мировой науки. Работы поддерживались международным (NATO SfP977976) и российскими (РФФИ 03-04-48852, 02-02-08120, 07-04-00356, 08-02-91954; МНТЦ 1777; ФЦП П2497, П1039; интеграционные междисциплинарные проекты СО РАН) грантами, а также грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ "Научная школа НШ-387.2008.4" (руководитель С.В. Нетесов). Результаты работы докладывались авторами на международных конференциях. По теме работы опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах.
6. Вклад авторского коллектива.
Данная работа была выполнена в сотрудничестве научных коллективов нескольких институтов. Авторский коллектив ИХКиГ (А.В. Чернышев, В.М. Некрасов, E.Н. Чесноков и В.П. Мальцев) внес основной вклад в постановку задачи и ее решения теоретическими и экспериментальными методами.
Список прилагаемых статей.
- Авроров П.А., Климкин А.В., Мальцев В.П., Семьянов К.А., Тарасов П.А., Определение размерных параметров одиночных микрочастиц по индикатрисе светорассеяния,Оптика атмосферы и океана, 2006, т.19, №2-3, с.202-205.
- Chernyshev A.V., Tarasov P.A., Semianov K.A., Nekrasov V.M., Hoekstra A.G., Maltsev V. P., Erythrocyte lysis in isotonic solution of ammonium chloride: Theoretical modeling and experimental verification. , Journal of Theoretical Biology, 2008, v.251, p.93–107.
- Авроров П.А., Чесноков Е.Н., Цветовская Г.А., Чикова Е.Д.,Мальцев В.П., Чернышев А.В., Исследование влияния импульсного инфракрасного излучения на оптические и резистентные к гемолизу свойства эритроцитов, Вестник НГУ, серия: физика, 2009, т.4, №4, с.23-30.