Кровь – это жизнь. Кровь является связующим звеном между всеми органами и системами организма. А показатели крови наглядно отражают состояние функционирования всего организма. Вот почему в медицине анализ крови является первичным обязательным исследованием перед лечением любой болезни. Циркулируя по сосудам в организме, кровь снабжает клетки тканей кислородом, который необходим для успешного протекания окислительно-восстановительных реакций и выработки энергии. С кровью переносятся растворенные питательные вещества, а также факторы защиты. Она сохраняет постоянную температуру нашего тела. Через кровь осуществляется регуляция деятельности всех систем. Кроме того анализируя химический и физический состав крови с помощью рецепторов, мозг человека получает информацию о состоянии всего организма в целом. Таким образом, кровь принимает участие в поддержании постоянства внутренней среды организма в жестких рамках. Но каково происхождение крови? Несмотря на то, что это еще довольно неясный вопрос, в настоящее время считается, что все клетки крови восходят к одной единственной изначальной клетке - материнской полипотентной клетке, которая порождает различные типы клеток и может воспроизводить сама себя. Эритроциты составляют основную массу форменных элементов крови. Они определяют красный цвет крови. Количество эритроцитов в норме у здорового взрослого человека 4 – 5 млн. в 1 мм 3 крови. Эритроциты – это высокоспециализированные клетки, строение которых подчинено выполнению их главной функции - транспорту кислорода.
Роль клеток в организме многообразна, прежде всего, по причине их специфичности в разных тканях и органах организма. Однако общими свойствами подавляющего большинства клеток являются такие процессы жизнедеятельности, как прикрепление, фагоцитоз, трансформация, пролиферация, некроз, апоптоз. Наблюдение за клетками в процессах их жизнедеятельности – важнейший этап изучения их поведения. При этом наблюдать за процессами фагоцитоза, прикрепления, трансформации, пролиферации, некроза и апоптоза достаточно трудно, поскольку все клетки находятся в постоянном движении, их огромное количество, и обнаружить именно ту клетку, которая сейчас находится в определенном состоянии трудно. В реальном времени наблюдать определенный процесс жизнедеятельности клетки от его начала до конца затруднительно. По таким причинам моделирование является удобным способом исследования жизнедеятельности клеток в реальном времени, для чего необходимо разработать соответственную специализированную компьютерную систему. Для выполнения поставленной задачи требуется 3D среда моделирования, а следовательно, компьютерный программный продукт, в котором возможно осуществить 3D моделирование объектов. Рассмотрено много вариантов такого программного обеспечения (Alias Maya 7.0, CyberMotion 3D Designer 10.0, Inivis AC3D 4.0.8, LightRay3D 1.3.4), но все же, самой оптимальной и удобной средой моделирования трехмерной графики была выбрана программа «3Ds Max», разработчиком которой является компания «Autodesk». «3Ds Max» предоставляет возможность с большей точностью изображать объекты, позволяет над этими объектами проводить различные действия, которые в последствии можно сохранить как видеоролик. Данный программный продукт выбран еще и потому, что включает в себя механизм расчета физики и позволяет моделировать поведение твёрдых и мягких тел с учётом силы тяжести и других воздействий [3]. Программа «3Ds Max» легкодоступна любому пользователю «Интернет», т.к. бесплатно распространяется на территории СНГ.
Целью моего исследования является создание программного продукта, который при определенных входных параметрах позволяет моделировать определенный (выбранный пользователем) процесс жизнедеятельности клетки. Результатом моделирования ожидается увидеть видеоролик (анимация) поведения клетки от начала процесса до его завершения. Для того чтобы моделировать что-либо, необходимо иметь параметры и данные об объекте моделирования. Поэтому для данного исследования нам понадобятся геометрические параметры клетки крови (объём, площадь, радиус сечения), а также параметры межклеточного пространства (уровень pH, температура, ионный состав среды). Эти параметры необходимы для того, чтобы рассчитать скорость процессов жизнедеятельности клетки, а также для более точного реалистичного моделирования поведения клетки в клеточной среде. Анализируя результаты работы программы, можно будет сделать вывод о кровеносном участке, либо же о всей кровеносной системе человека. Таким способом диагноз и выводы можно получить намного быстрее и более точнее благодаря компьютерному моделированию. Качественная программа пригодится многим медицинским учреждениям, принесёт им пользу и сэкономит множественные физические ресурсы и время.
Рисунок 1 – Жизнедеятельность клетки(в данном случае показаны процессы прикрепления, фагоцитоза и пролиферации).
Прикрепление – процесс, в результате которого клетка прикрепляется к поверхности и плотно контактирует с ней и может распластываться. Схематически прикрепление изображено на рис. 1. Данный процесс является главным и первым в жизнедеятельности клетки, ибо только и исключительно после прикрепления клетка начинает развиваться, питаться, размножаться и т. д. [4]. Изначально клетка находится во взвеси над субстратом (рис. 1, а), далее она медленно движется к подложке и прикрепляется к ней (рис. 1, б). Далее клетка постепенно распластывается на подложке (рис. 1, в).
Рисунок 2 - Прикрепление клетки к поверхности. а) клетка над поверхностью; б) клетка прикрепилась к поверхности; в) клетка полностью распласталась по поверхности (конец прикрепления).
Фагоцитоз - процесс, в котором специально предназначенные клетки крови и тканей организма (фагоциты) захватывают и переваривают возбудителей инфекционных заболеваний и отмершие клетки [4]. Схематически фагоцитоз изображен на рис. 2. Изначально клетка уже прикреплена к плоскости, ибо выполнение любых процессов жизни клетки возможны только после ее прикрепления к субстрату (рис. 2, а). Клетка (фагоцит) поглощает бактерию: мембрана клетки обволакивает бактерию и тем самым бактерия оказывается внутри клетки (рис. 2, б). Далее уже происходит расщепление захваченного объекта. (рис. 2, в). Таким образом, клетка питается.
Рисунок 3 - Схема фагоцитоза. а) фагоцит и мелкая бактерия; б) клетка обволакивает мелкий объект; в) замыкание мембраны, погружение объекта с частью мембраны фагоцита внутрь клетки.
Пролиферация - размножение клеток (образование новых клеток) [4]. Схематически пролиферация изображена на рис. 3. В клетке происходит удвоение ДНК ядра (рис. 3, б). В ней образуется попе¬речная перегородка (рис. 3, в). Затем дочерние клетки расходятся (рис. 3, г). Таким образом, клетка размножается. После окончания пролиферации дочерние клетки стремятся перейти в одно из двух стационарных состояний: или они вновь вступают в клеточный цикл (аутосинтетическое состояние), или выходят из него (гетеросинтетическое состояние). Клетки, находящиеся в состоянии покоя, могут находиться в двух состояниях: G0 и G2. В состоянии G0 содержание ДНК в клетке составляет 2с, а в состоянии G2 – 4с. Необратимый выход из клеточного цикла называется терминальной дифференцировкой.
Рисунок 4 - Схема пролиферации клетки. а) исходный вид клетки; б) клетка увеличивается в размерах, удлиняясь; в) клетка постепенно делится на две клетки объединенных перегородкой; г) отделение клеток завершено.
Трансформация - изменение наследственных свойств клетки в результате мутации [4]. Схематически трансформация изображена на рис. 4. Клетка непредсказуемо меняет свои геометрические параметры (рис. 4, б, в).
Рисунок 5 - Трансформация клетки. а) исходный вид клетки; б) первичная мутация, изменение клетки; в) конечный вид клетки в результате трансформации.
Некроз - это патологическая, форма клеточной гибели, в результате которой клетка набухает, увеличивается в размерах и разрушается [4]. Схематически некроз изображен на рис. 5. Геометрические параметры клетки увеличиваются настолько, что мембрана клетки разрывается и содержимое клетки выходит во внеклеточную сферу (рис. 5, в). Мертвые клетки полностью прекращают свое функционирование. Гибель клетки сопровождается необратимыми биохимическими и структурными изменениями.
Рисунок 6 - Некроз клетки. а) исходный вид клетки; б) небольшое набухание клетки; в) сильное набухание клетки, приводящее к разрыву мембраны.
Факторы, приводящие к некрозу: механические: воздействие на клетки, ткани и органы механической силы, превышающей сопротивляемость оболочек, приводит к их размозжению, разрывам и др.; термические: температура свыше +60° С или ниже — 15° С вызывает ожоги, отморожения; электрические: в местах входа и выхода из организма электротока высокого напряжения развивается очень высокая температура, на теле возникают «знаки тока» — сожженной в этих местах ткани; химические: крепкие кислоты, коагулируя белки клеток, вызывают сухой некроз.
Апоптоз - форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении её размера и распада на более мелкие части, которые поглощаются фагоцитами [4]. Схематически апоптоз изображен на рис. 6. Клетка уменьшается в объёме, фрагментирует и распадается на апоптические тельца (рис 6, г). Морфологически апоптоз проявляется гибелью единичных, беспорядочно расположенных клеток, что сопровождается формированием округлых, окруженных мембраной телец(“апоптотические тельца”).
Рисунок 7 - Апоптоз клетки. а) исходный вид клетки; б) уменьшение размера клетки; в) постепенное деление клетки на части; г) конечный результат апоптоза.
Как известно, параметры межклеточного пространства влияют на поведение клетки. Влияние изменения некоторых факторов среды на протекание процессов жизнедеятельности клетки приведены в табл. 1. Таблица составлена по материалам статьи [2].
Таблица 1 - Влияние факторов внешней среды на скорость протекания процессов жизнедеятельности клетки.
Примечания: Увеличение «^» и уменьшение «v» влияющего фактора. Обозначения: скорость процесса «+» - увеличивается; «++» - значительно увеличивает; «?» - уменьшается. Знак «?» указывает на то, что влияние данного фактора на процесс в литературе нами не обнаружено.
Последним исследованием в данной сфере является научная статья Герасимова И. Г., Привалова М. В., Гринченко А. А. «Прогнозирование параметров процесса прикрепления клеток крови in vitro» [1]. Разработана специализированная компьютерная система для прогнозирования параметров процесса прикрепления клеток крови на примере нейтрофилов на основании построения кинетической модели процесса. Снимки изображений нейтрофилов получали с помощью программы ASUS Live Version 4.6 B2. С помощью специально написанной программы проводили оконтуривание и расчет периметра нейтрофилов. Параметры кинетического уравнения процесса прикрепления, расчет среднего значения и доверительного интервала получали с использованием пакета статистической обработки R for Windows FAQ Version for R?2.4.1. Из нерешенных моментов данной работы следует выделить то, что прогнозирование осуществляется только для одного процесса – прикрепления, а другие процессы остаются не рассмотренными. Кроме того, программный продукт позволяет работать с уже готовыми снимками (изображениями) и не дает возможность моделирования процесса.
Разработана схема специализированной компьютерной системы для моделирования процессов прикрепления, фагоцитоза, трансформации, пролиферации, апоптоза и некроза клетки и отображения данных процессов жизнедеятельности клетки постепенно от начала до конца. Моделирование позволяет указывать исходные геометрические параметров клетки, а также параметры внешней среды, которая влияет на скорость процесса. Имея реальное представление прохождения процесса жизнедеятельности клетки крови можно будет делать выводы об общих свойствах крови и состоянии кровеносной системы организма.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.