WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ПАВЛОВА Ольга Николаевна

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

В ДИНАМИКЕ НЕФРОНОВ НОРМОТЕНЗИВНЫХ И

ГИПЕРТЕНЗИВНЫХ КРЫС

03.00.02 – биофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саратов – 2009

Работа выполнена на кафедре радиофизики и нелинейной динамики Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Постнов Дмитрий Энгелевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Безручко Борис Петрович,

кандидат биологических наук

Браже Надежда Александровна

Ведущая организация:

Саратовский государственный технический

университет

Защита состоится 29 декабря 2009 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.243.05 при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, корп. 3, ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Саратовского государственного университета.

Автореферат разослан «____» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Дербов В.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Изучение динамики нефронов в последние годы стало вызывать значитель­ный интерес исследователей, занимающихся проблемой генеза почечной гиперто­нии, поскольку стало ясно, что при данной патологии происходят измене­ния как режима функционирования отдельных нефронов, так и эффектов взаимодействия колебательных процессов в динамике их ансамблей (Г. Лейтон, Е. Питман, П. Лейссак, Н.-Х. Холстейн-Ратлоу, Д. Марш, К. Чон).

К настоящему времени установлены два механизма авторегуляции почеч­ного кровотока в нефронах. Одним из них является миогенный отклик (Дж. Гон­селес-Фернандес, Г. Эрментроут, А. Хоровиц), который связан с активацией глад­ких мышц стенок сосудов (артериол). Повышение давления крови, проте­кающей по сосудам, приводит к их ритмическим сокращениям и колебаниям диа­метра артериол с частотой примерно 0.1–0.2 Гц. Существуют основания пред­полагать, что такое поведение гладких мышечных клеток обусловлено син­хронизацией межклеточной динамики Ca2+. Считается, что миогенный меха­низм регуляции кровотока осуществляет подстройку диаметра артериол для обес­печения постоянного напряжения стенок сосудов.

Вторым механизмом является канальцево-гломерулярная обратная связь (КГОС) (П. Лейссак, Н.-Х. Холстейн-Ратлоу, T. Сакай). Она осуществляет регуля­цию кровотока в зависимости от концентрации ионов NaCl в фильтрате, который протекает по петле Генле и попадает в дистальный каналец. Увеличе­ние скорости фильтрации в капсуле Боумена приводит к увеличению потока жид­кости по петле Генле и росту концентрация ионов на выходе петли. Со­гласно существующим представлениям о функционировании структурных эле­ментов почки, высокая концентрация ионов вызывает активизацию гладких мышц стенок сосудов (артериол), в результате которой меняется их сопротивле­ние, приводящее к тому, что скорость фильтрации возвращается к первоначаль­ному значению (Д. Касселас). Поскольку время протекания потока жидкости по канальцам является сравнительно большим, существует временная задержка ме­жду изменением концентрации ионов и подстройкой скорости гломерулярной фильтрации, вызванной этим изменением. Наличие задержки приводит к неустой­чивости механизма КГОС и появлению колебаний величины давления фильтрата в петле Генле с частотой примерно 0.02–0.04 Гц. Соответствующие колебаний (с другой амплитудой и фазовым сдвигом) можно также зарегистриро­вать в артериолах.

Согласно результатам экспериментальных исследований, которые проводи­лись на крысах научной группой проф. Н.-Х. Холстейн-Ратлоу (институт Панум, университет Копенгагена), незатухающие колебания, обусловленные механиз­мом КГОС, являются почти периодическими при нормальном артериальном дав­лении, но сильно нерегулярными (хаотическими) при гипертонии. Важно от­метить, что хаотизация колебаний в настоящее время обнаружена вне зависимо­сти от формы почечной гипертонии – эффект усложнения динамики наблюдался как для нефронов спонтанных гипертензивных крыс (генетическая форма гипер­тонии), так и при искусственно вызванной гипертонии Голдблетта.

Оба упомянутых механизма (КГОС и миогенный отклик) взаимодейст­вуют между собой, поскольку воздействуют на одну и ту же артериолу. Вследст­вие этого усиление одного механизма оказывает влияние на другой. Сосущество­вание взаимодействующих механизмов приводит к возникновению таких явлений, как синхронизация и модуляция колебаний. Изучение соответст­вующих явлений позволяет установить типичные изменения в динамике ритмов при переходе от нормы к патологии. Пожалуй, главная проблема при рассмотре­нии данных явлений связана с тем, что экспериментально регистрируемые сиг­налы часто оказываются нестационарными. Для более детального исследования сложной структуры физиологических процессов в последние годы стали ак­тивно применяться методы, позволяющие проводить частотно-временной ана­лиз экспериментальных данных (Г. Ванг, Н. Хуанг, С. Малла) и осуществлять расчеты их локальных характеристик, например, локаль­ных энергетических спектров. Ряд новых эффектов в динамике нефронов был обнаружен при использовании вейвлет-анализа (О.В. Сосновцева, А.Н. Пав­лов, Д. Марш, Н.-Х. Холстейн-Ратлоу).

Помимо достигнутых успехов в области анализа сигналов отдельных неф­ронов и извлечения информации об их динамике путем детального изучения структуры экспериментальных данных, значительный прогресс был достигнут и в области математического моделирования процессов почечной авторегуляции

(М. Барфред, Н.-Х. Холстейн-Ратлоу, Г. Лейтон). Главная ценность математиче­ского моделирования заключается в том, что оно позволяет описать наибо­лее важные механизмы, ответственные за наблюдаемую в природе дина­мику. При этом, безусловно, существует следующая дилемма: игнорирование отдельных особенностей функционирования живых систем приводит к тому, что модель будет менее адекватной реальной динамике. В то же время, учет мало­существенных деталей приводит порой к неоправданному усложнению ма­тематического описания, в результате которого затрудняется проведение иссле-

до­вания полученной модели. Поиск компромисса между усложнением мо­дельных уравнений и возможностью описания основных механизмов, лежащих в основе динамики биологической системы, и представляет собой искусство ма­тематического моделирования. Применительно к динамике нефрона лучше всего удовлетворяет отмеченным требованиям модель, предложенная в работе М. Барфреда с соавторами.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в понимании механиз­мов авторегуляции почечного кровотока, до сих пор сохраняется много откры­тых вопросов об особенностях функционирования структурных элементов почки и их малых ансамблей в норме и при гипертонии. В частности, несмотря на то, что традиционно в динамике нефрона выделяют два механизма авторегуля­ции (миогенный отклик и механизм КГОС), приводящие к генерации колебаний с двумя характерными временными масштабами, в структуре экспери­ментальных данных дополнительно удается обнаружить очень медлен­ные (VLF) ритмы, физиологическая интерпретация которых пока неизвестна, и специалистами в настоящее время выдвигаются только лишь гипотезы о причи­нах, порождающих данную динамику.

Не достигнуто полной ясности в вопросах взаимодействия ритмов колеба­ний, участвующих в регуляции кровотока, на уровне малых групп структурных элементов почки (парные нефроны и триплеты). Если сам факт наличия синхро­низации колебаний ранее отмечался и исследовался на основе специальных мето­дик (О.В. Сосновцева и др.), то особенности синхронного поведения (возник­новение синфазных и противофазных режимов колебаний) остаются не­изученными. Не исследовались нелинейные эффекты в модуляции колебаний радиуса артериолы.

Остаются открытые вопросы в отношении возможных механизмов возникно­вения хаотических колебаний, а именно в том, что является причиной хаотизации режимов динамики Детальное сопоставление математической мо­дели нефрона и данных экспериментов с точки зрения особенностей взаимодействия ритмических процессов структурных элементов почки в норме и при гипертонии пока еще не проведено, в частности, не изучено, насколько адекватно математическая модель способна воспроизводить режимы синхрон­ной динамики, возникающие на коротких участках времени, и переходы от пол­ной к частичной синхронизации, наблюдаемые в экспериментах.

Как при детальном анализе экспериментальных данных, так и при матема-ти­ческом моделировании почечной авторегуляции кровотока обнаружива­ется, что динамика структурных элементов почки существенно отли­чается в норме и при гипертонии. Изучение процесса хаотизации колебатель­ных процессов в функционировании нефрона и выявление различий в динамике малых ансамблей структурных элементов почки для случаев нормы и патологии способно привести к более глубокому пониманию нарушений, на­блюдаемых на микроскопическом уровне индивидуальных нефронов и приводя­щих к развитию почечной гипертонии.

Целью диссертационной работы является изучение ритмов авторегуля­ции почечного кровотока и их взаимодействия в динамике нефронов нормотен­зивных и гипертензивных крыс на основе специальных методов анализа струк­туры сигналов и математического моделирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

  1. Изучить особенности динамики очень медленных ритмов авторегуляции (с периодом более 100 сек) и их влияние на колебания, обусловленные ме­ханизмом канальцево-гломерулярной обратной связи и миогенным от­кликом.
  2. Исследовать эффекты взаимодействия ритмов колебаний в динамике ма­лых групп структурных элементов почки (парные нефроны и триплеты), выяснить отличия этих эффектов в норме и при гипертонии.
  3. Провести сопоставление эффектов синхронизации колебаний нефронов, наблюдаемых экспериментально и описываемых математической моде­лью почечной авторегуляции кровотока.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Впервые установлено наличие очень медленных ритмов колебаний в ди­намике нефронов (0.002-0.01 Гц), которые сильнее выражены при гипер­тонии и оказывают влияние на другие механизмы авторегуляции кровотока на уровне отдельных структурных элементов почки.
  2. Впервые показано, что в динамике малых групп корковых нефронов наи­более типична синфазная синхронизация как медленных, так и быст­рых ритмических процессов, которая наблюдается в более 90% экспери­ментальных записей. Обнаружено, что средняя длительность участков синхронных колебаний взаимодействующих структурных элементов почки при гипертонии уменьшается примерно в 3 раза по сравнению со случаем нормы.
  3. Установлено, что динамика математической модели парных нефронов с электрохимической и гемодинамической связями между структурными элементами почки соответствует результатам экспериментальных иссле­дований. Она позволяет описывать эффекты полной и частичной синхро­низации колебаний, а также режимы синфазной и противофазной синхронизации, выявленные при анализе экспериментальных данных.
  4. Впервые показано, что хаотизация колебаний в функционировании неф­ронов гипертензивных крыс определяется свойствами артериол, а не ди­намикой в петле Генле.

Научно-практическое значение результатов работы:

  1. Обнаружение очень медленных ритмов колебаний в динамике нефронов расширяет существующие представления о механизмах почечной авто-ре­гуляции кровотока и создает основу для построения более полной теории авторегуляции на уровне отдельных структурных элементов почки.
  2. Обнаружение влияния динамики артериол на хаотизацию динамики неф­ронов позволяет выдвигать гипотезы о механизмах функциональных нарушений на уровне отдельных нефронов, приводящим к развитию по­чечной гипертонии.
  3. Результаты диссертационной работы могут применяться в учебном про­цессе при подготовке студентов биофизических специальностей. Часть ре­зультатов уже используется в рамках лабораторной работы по изуче­нию эффекта синхронизации колебаний спецпрактикума «Методы ана­лиза сложных сигналов» для студентов физического факультета Саратов­ского государственного университета.

Достоверность научных выводов работы базируется на использовании тщательно протестированных методов анализа экспериментальных данных, ус­тойчивости этих методов к изменениям параметров счета, на непротиворечиво­сти полученных результатов известным теоретическим представлениям и экспе­риментальным данным о динамике нефронов и их малых ансамблей, а также на применении стандартных алгоритмов численного анализа математических моде­лей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Характеристики ритмов авторегуляции почечного кровотока на уровне одиночного и парных нефронов достоверно различны для нормотензивных и гипертензивных крыс. А именно, случай гипертонии в сравнении с нормой характеризуется более высокой мощностью колебаний VLF диапазона, большей дисперсией отношения частот миогенного и КГОС ритмов, более выраженным влиянием колебаний VLF диапазона на характеристики миогенного и КГОС ритмов, а также меньшей вероятностью полной синхронизации ритмов парных нефронов.

2. Очень низкочастотные (VLF) ритмы авторегуляции, соответствующие области частот ниже 0.01 Гц, оказывают влияние на более высокочастотные колебательные процессы, обусловленные механизмом канальцево-гломерулярной обратной связи и миогенным откликом артериолы, в форме амплитудной и частотной модуляции колебаний. Это влияние усиливается при почечной гипертонии по сравнению со случаем нормы.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»