Кров - це життя. Кров є сполучною ланкою між усіма органами та системами організму. А показники крові наочно відображають стан функціонування всього організму. Ось чому в медицині аналіз крові є первинним обов'язковим дослідженням перед лікуванням будь-якої хвороби. Циркулюючи по судинах в організмі, кров постачає клітини тканин киснем, який необхідний для успішного протікання окислювально-відновних реакцій і вироблення енергії. З кров'ю переносяться розчинені живильні речовини, а також фактори захисту. Вона зберігає постійну температуру нашого тіла. Через кров здійснюється регуляція діяльності всіх систем. Крім того аналізуючи хімічний та фізичний склад крові за допомогою рецепторів, мозок людини отримує інформацію про стан всього організму в цілому. Таким чином, кров приймає участь у підтриманні сталості внутрішнього середовища організму в жорстких рамках. Але яке походження крові? Незважаючи на те, що це ще досить неясне питання, в даний час вважається, що всі клітини крові сходять до однієї єдиної початкової клітці - материнської поліпотентної клітці, яка породжує різні типи клітин і може відтворювати сама себе. Еритроцити складають основну масу формених елементів крові. Вони визначають червоний колір крові. Кількість еритроцитів в нормі у здорової дорослої людини 4 - 5 млн. в 1 мм 3 крові. Еритроцити - це високоспеціалізовані клітини, будова яких підпорядковане виконання їх головної функції - транспорту кисню.
Роль клітин в організмі різноманітна, перш за все, через їх специфічність в різних тканинах і органах організму. Проте загальними властивостями переважної більшості клітин є такі процеси життєдіяльності, як прикріплення, фагоцитоз, трансформація, проліферація, некроз, апоптоз. Спостереження за клітинами в процесах їхньої життєдіяльності - найважливіший етап вивчення їх поведінки. При цьому спостерігати за процесами фагоцитозу, прикріплення, трансформації, проліферації, некрозу і апоптозу досить важко, оскільки всі клітини знаходяться в постійному русі, їх величезна кількість, і виявити саме ту клітку, яка зараз перебуває в певному стані важко. У реальному часі спостерігати певний процес життєдіяльності клітини від його початку до кінця важко. За таких причин моделювання є зручним способом дослідження життєдіяльності клітин в реальному часі, для чого необхідно розробити відповідну спеціалізовану комп'ютерну систему. Для виконання поставленого завдання потрібно 3D середу моделювання, а отже, комп'ютерний програмний продукт, в якому можливо здійснити 3D моделювання об'єктів. Розглянуто багато варіантів такого програмного забезпечення (Alias Maya 7.0, CyberMotion 3D Designer 10.0, Inivis AC3D 4.0.8, LightRay3D 1.3.4), але все ж, найоптимальнішою і зручним середовищем моделювання тривимірної графіки була обрана програма «3Ds Max», розробником якої є компанія «Autodesk». «3Ds Max» надає можливість з більшою точністю зображувати об'єкти, дозволяє над цими об'єктами проводити різні дії, які надалі можна зберегти як відеоролик. Даний програмний продукт обраний ще й тому, що включає в себе механізм розрахунку фізики і дозволяє моделювати поведінку твердих і м'яких тіл з урахуванням сили тяжіння та інших впливів [3]. Програма «3Ds Max» легкодоступна будь-якому користувачеві «Інтернет», тому що безкоштовно розповсюджується на території СНД.
Метою дослідження є створення програмного продукту, який за певних вхідних параметрах дозволяє моделювати певний (обраний користувачем) процес життєдіяльності клітини. Результатом моделювання очікується побачити відеоролик (анімація) поведінки клітини від початку процесу до його завершення. Для того щоб моделювати що-небудь, необхідно мати параметри і дані про об'єкт моделювання. Тому для даного дослідження нам знадобляться геометричні параметри клітини крові (об'єм, площа, радіус перерізу), а також параметри міжклітинного простору (рівень pH, температура, іонний склад середовища). Ці параметри необхідні для того, щоб розрахувати швидкість процесів життєдіяльності клітини, а також для більш точного реалістичного моделювання поведінки клітини в клітинній середовищі. Аналізуючи результати роботи програми, можна буде зробити висновок про кровоносній ділянці, або ж про всій кровоносній системі людини. Таким способом діагноз і висновки можна отримати набагато швидше і більш точніше завдяки комп'ютерного моделювання. Якісна програма стане в нагоді багатьом медичним установам, принесе їм користь і заощадить множинні фізичні ресурси і час.
Прикріплення - процес, в результаті якого клітина прикріплюється до поверхні і щільно контактує з нею і може розпластується. Схематично прикріплення зображено на рис. 2. Даний процес є головним і першим в життєдіяльності клітини, бо тільки і виключно після прикріплення клітина починає розвиватися, харчуватися, розмножуватися і т. д. [4]. Спочатку клітина знаходиться у суспензії над субстратом (рис. 2, а), далі вона повільно рухається до підкладки і прикріплюється до неї (рис. 2, б). Далі клітина поступово розпластується на підкладці (рис. 2, в).
Фагоцитоз - процес, в якому спеціально призначені клітини крові і тканин організму (фагоцити) захоплюють і перетравлюють збудників інфекційних захворювань і відмерлі клітини [4]. Схематично фагоцитоз зображений на рис. 3. Спочатку клітина вже прикріплена до площини, бо виконання будь-яких процесів життя клітини можливі тільки після її прикріплення до субстрату (рис. 3, а). Клітка (фагоцит) поглинає бактерію: мембрана клітини обволікає бактерію і тим самим бактерія виявляється всередині клітини (рис. 3, б). Далі вже відбувається розщеплення захопленого об'єкту. (рис. 3, в). Таким чином, клітина харчується.
Проліферація - розмноження клітин (утворення нових клітин) [4]. Схематично проліферація зображена на рис. 4. У клітці відбувається подвоєння ДНК ядра (рис. 4, б). В ній утворюється попі ¬ річкова перегородка (рис. 4, в). Потім дочірні клітини розходяться (рис. 4, г). Таким чином, клітина розмножується. Після закінчення проліферації дочірні клітини прагнуть перейти в один з двох стаціонарних станів: або вони знову вступають в клітинний цикл (аутосінтетіческое стан), або виходять з нього (гетеросінтетіческое стан). Клітини, що знаходяться в стані спокою, можуть знаходитися в двох станах: G0 і G2. У стані G0 вміст ДНК в клітині становить 2с, а в стані G2 - 4с. Необоротний вихід з клітинного циклу називається термінальної диференціюванням.
Трансформація - зміна спадкових властивостей клітини в результаті мутації [4]. Схематично трансформація зображена на рис. 5. Клітка непередбачувано змінює свої геометричні параметри (рис. 5, б, в).
Некроз - це патологічна, форма клітинної загибелі, в результаті якої клітина набухає, збільшується в розмірах і руйнується [4]. Схематично некроз зображений на рис. 6. Геометричні параметри клітини збільшуються настільки, що мембрана клітини розривається і вміст клітини виходить в позаклітинний простiр (рис. 6, в). Мертві клітини повністю припиняють своє функціонування. Загибель клітини супроводжується необоротними біохімічними і структурними змінами.
Фактори, що призводять до некрозу: механічні: вплив на клітини, тканини і органи механічної сили, що перевищує опірність оболонок, призводить до їх розтрощення, розривів та ін; термічні: температура понад +60 ° С або нижче - 15 ° С викликає опіки, відмороження ; електричні: у місцях входу і виходу з організму електроструму високої напруги розвивається дуже висока температура, на тілі виникають «знаки струму» - спаленої в цих місцях тканини; хімічні: міцні кислоти, коагулюючи білки клітин, викликають сухий некроз.
Апоптоз - форма загибелі клітини, що виявляється у зменшенні її розміру і розпаду на більш дрібні частини, які поглинаються фагоцитами [4]. Схематично апоптоз зображений на рис. 7. Клітка зменшується в об'ємі, фрагментірует і розпадається на апоптичних тільця (рис. 7, г). Морфологічно апоптоз виявляється загибеллю одиничних, безладно розташованих клітин, що супроводжується формуванням округлих, оточених мембраною тілець ("апоптотичні тільця")
Як відомо, параметри міжклітинного простору впливають на поведінку клітини. Вплив зміни деяких факторів середовища на перебіг процесів життєдіяльності клітини приведені в табл. 1. Таблиця складена за матеріалами статті [2].
Останнім дослідженням в даній сфері є наукова стаття Герасимова І. Г., Привалова М. В., Грінченко А. А. «Прогнозування параметрів процесу прикріплення клітин крові in vitro» [1]. Розроблена спеціалізована комп'ютерна система для прогнозування параметрів процесу прикріплення клітин крові на прикладі нейтрофілів на підставі побудови кінетичної моделі процесу. Знімки зображень нейтрофілів отримували за допомогою програми ASUS Live Version 4.6 B2. За допомогою спеціально написаної програми проводили оконтуривание і розрахунок периметра нейтрофілів. Параметри кінетичного рівняння процесу прикріплення, розрахунок середнього значення та довірчого інтервалу отримували з використанням пакета статистичної обробки R for Windows FAQ Version for R-2.4.1. З невирішених моментів даної роботи слід виділити те, що прогнозування здійснюється тільки для одного процесу - прикріплення, а інші процеси залишаються не розглянутими. Крім того, програмний продукт дозволяє працювати з уже готовими знімками (зображеннями) і не дає можливість моделювання процесу.
Розроблено схему спеціалізованої комп'ютерної системи для моделювання процесів прикріплення, фагоцитозу, трансформації, проліферації, апоптозу та некрозу клітини і відображення даних процесів життєдіяльності клітини поступово від початку до кінця. Моделювання дозволяє вказувати вихідні геометричні параметрів клітини, а також параметри зовнішнього середовища, яка впливає на швидкість процесу. Маючи реальне уявлення проходження процесу життєдіяльності клітини крові можна буде робити висновки про загальні властивості крові та стан кровоносної системи організму.
При написанні цього автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: 1 грудня 2011 р. Повний текст роботи та матеріали за темою можна отримати у автора або його керівника після зазначеної дати.