CC BY
21
Kudriavtcev V.A1, Kosykh A.A.2, Tcapok P.I.3
INNOVATION IN ESTIMATION OF THE REGULARITY OF THE LIVER’S PATHOLOGICAL PROCESS
1Kirov State Medical Academy, Russian Federation, Head of physics and medical informatics department.
2Kirov State Medical Academy, Russian Federation, Head of biology department. 3Kirov State Medical Academy, Russian Federation, Head of chemistry department.
System approach with use of mathematical model for the analysis of the main indicators of liver condition is suggested. The approach allows define a phase of pathological process and the prognosis of the further course of the disease.
Keywords: liver, hepatitis, hepatocyte, mitotic activity, connective tissue, intoxication, thermodynamic system, steady state, mathematical analysis.
Кудрявцев В.А.1, Косых А.А.2, Цапок П.И.3
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПАТОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ПЕЧЕНИ
1ГБОУ ВПО «Кировская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения Российской Федерации, кафедра физики и медицинской информатики, заведующий кафедрой, г. Киров. Тел.: +79539474638
2ГБОУ ВПО «Кировская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения Российской Федерации, кафедра биологии, заведующий кафедрой, г. Киров. 3ГБОУ ВПО «Кировская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения
Российской Федерации, кафедра химии, заведующий кафедрой, г. Киров.
Предлагается системный подход с использованием математической модели для анализа основных показателей состояния печени при воспроизведении патологи. Такой подход позволяет определить фазу патологического процесса и дать прогноз течения заболевания.
Ключевые слова: печень, гепатит, гепатоцит, митоз, соединительная ткань, функциональная активность, интоксикация, термодинамическая система, стационарное состояние, математический анализ.
В силу высокой компенсаторной способности печени патологический процесс в ней часто диагностируется уже на хронической стадии, когда происходят значительные биохимические и морфологические изменения. Задача лечения сводится к стимуляции процессов, обеспечивающих обратное развитие изменений, которые по ходу патологического процесса сложились как компенсаторные или адаптивные [1]. В структуре заболеваний значительная часть принадлежит
гепатитам вирусной и токсической этиологии [2]. Однако, как свидетельствуют исследования, независимо от причин, вызывавших заболевание, реакция органа на повреждение во многом однотипна. Объяснятся это не только универсальностью механизмов нарушения гомеостаза, но и процессов, реализующих системный ответ на снижение функциональной активности органа [3].
Существующие методы диагностики состояния печени базируются на огромном
~163~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
практическом материале, однако в своей основе они имеют существенные недостатки: на активной стадии развития патологического процесса не позволяют достоверно оценить ситуацию вблизи границы перехода одной стадии заболевания в другую; определяют, в основном, лишь две противоположные фазы - наличие активности процесса или стабильность и благоприятное развитие событий или неблагоприятное. Для каждой нозологической формы, в основном, используется только определённый способ оценки. Такие исследования не позволяют выявить закономерности динамики патологического процесса, что повышает вероятность ошибки при оценке состояния органа и делает их не перспективными при разработке новых методов лечения.
Современные требования к охране здоровья населения, разработка и внедрение перспективных методов лечения требуют инновационных подходов при диагностике состояния печени, позволяющих дать объективную характеристику стадии патологического процесса, оценить функциональное состояние органа и определить прогноз дальнейшего развития событий. Это может быть реализовано только на базе математических представлений процессов, в основе которых лежат непрерывные аналитические функции «й=£(х)», отражающие закономерности изменений биохимических и морфологических показателей печени, в ответ на действие патогенного фактора. В конечном итоге, это позволит повысить достоверность оценки состояния печени, расширит возможности более тщательного планирования и контроля лечебного воздействия.
В качестве адекватной модели патологии может быть использована модель токсического гепатита, созданная с использованием тетрахлорметана (ССЦ). Являясь гепа-тотропным ядом он оказывает выраженное влияние на клетки печени и в эксперименте часто используется при моделировании патологических процессов, адекватных клиническим формам токсического гепатита [4].
В данной работе экспериментальные исследования влияния степени интоксикации на состояние печени проводились на крысах линии Вистар. Интоксикацию вызывали путём подкожного введения масляного раствора тетрахлорметана (ССЦ) (4, 8, 20 и 64 инъекций). В качестве контроля выделена группа интактных животных. Анализ показателей проводился на 1-е и 10-е сутки после прекращения введения ССЬ.
В качестве базисных параметров, позволяющих судить о состоянии печени и её потенциальных возможностях, оценивалась объёмная плотность соединительной ткани, число гепатоцитов и их митотическая активность.
В процессе анализа полученных данных учитывалось, что любая реакция в самоорганизующейся системе направлена на стабилизацию состояния, т.е. на обеспечение её функциональной активности. Физические представления позволяют сделать обоснованный вывод о том, что при действии патогенного фактора максимальная функциональная активность органа может быть достигнута только в рамках стационарного (квазистационарного) состояния, так как оно характеризуется минимальным значением энтропии открытой диссипативной термодинамической системы [5]. Таким образом, развитие патологического процесса, сопровождающееся структурными и биохимическими нарушениями неизбежно приведёт к формированию нового, отличного от физиологического, стационарного состояния, при котором обеспечение функциональной активности будет достигаться уже не за счёт компенсаторной реакции органа, а за счёт процессов адаптации, одними из проявлений которых являются: полифункциональность, появление двуядерности, гипертрофия и жировая дистрофия гепатоцитов. Срыв компенсаторной реакции выражается в том, что при достижении определённой степени повреждения, система в рамках существующего гомеостаза, не может поддерживать необходимый уровень энергетического и пластического обмена. Именно этот факт является от-
—---------д^СФС^з-------------—
~ 164 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
правной точкой возникновения нового порядка - перехода системы на другой уровень самоорганизации. В результате возникает новое гомеостатическое состояние, характеризуется как хроническое, в рамках которого за счёт компенсаторных реакций будет обеспечиваться функциональная активность органа. Об этом свидетельствуют изменения в тканях, которые выявлены через 10 суток после прекращения введения ССЬ [7]. Действительно, если до 8 инъекций СС14 параметры системы - число гепатоцитов (ГЕП) и митотическая активность (МИТ) достоверно не отличались от нормы (ГЕП (р>0.05), МИТ (р>0.05)), а относительная плотность волокнистой соединительной ткани (ОП СТ) имела тенденцию к нормализации, то свыше 8 (20 и 64 инъекции) - эти показатели имели достоверные отличия по сравнению с ин-тактными животными (Табл. 1).
Оценка состояния живой системы на основе динамики исследуемых показателей позволяет не только обоснованно прогнозировать направление развития событий, но и Таблица 1. Морфологические данные
предложить превентивные меры по стабилизации состояния. Выводы, в этом случае логично вытекают не только из анализа самих зависимостей, но и из исследования динамики процессов, что даёт значительно больше информации о состоянии органа. Такой подход повышает чувствительность анализа и позволяет выявить не только способность системы реагировать на нарушение стационарности (её подвижность), но и определять направленность и интенсивность такой реакции. Кроме того, анализ параметров, отражающих динамику процессов, позволяет оценить выраженность реакции органа при нарушении гомеостаза, определить его состояние и границу, после которой начинает формироваться новое стационарное состояние - новый гомеостаз. Однако такой анализ может быть проведён, если в распоряжении исследователя имеются отражающие существо процесса аналитические зависимости, происходящих в организме изменений от степени интоксикации.
отражающие состояние печени.
Число инъекций CCl4 МИТ (п/з) ГЕП (п/з) ОП СТ (усл. ед.)
1 сут. 10 сут. 1 сут. 10 сут. 1 сут. 10 сут.
Контроль: 0 0,33 0,33 20,33 20,33 0,16 0,16
4 3,60 (р<0,01) 1,00 (р>0,05) 17,80 (р<0,05) 18,80 (р>0,05) 0,24 (р<0,01) 0,21 (р<0,01)
8 9,50 (р<0,01) 1,43 (р=0,043) 12,75 (р<0,01) 18,00 (р=0,057) 0,26 (р<0,01) 0,26 (р<0,01)
20 3,00 (р<0,01) 5,67 (р<0,01) 13,83 (р<0,01) 15,00 (р<0,05) 0,29 (р<0,01) 0,28 (р<0,01)
64 3,67 (р<0,01) 1,17 (р<0,05) 10,33 (р<0,01) 11,83 (р<0,01) 0,96 (р<0,01) 0,94 (р<0,05)
Примечание: достоверность p рассчитана по отношению к контролю (U test Mann- Whitney).
Предварительная оценка имеющихся экспериментальных данных свидетельствует о невозможности выразить их в виде простых элементарных функций. При проведении анализа отдельных показателей, учитывалось также, что каждый из них отражает часть единого процесса, поэтому в той или иной степени они могут коррелировать между собой. Для построения непрерывных
функций на основании имеющихся экспериментальных данных были использованы возможности системы МаШса^ Один из подходов для решения этой проблемы - аппроксимация имеющихся данных непрерывными функциями 1= ДССЬ) (Рис. 1а, 2а и 3) [7; 9]. Полученные таким образом зависимости, отображающие изменения исследуемых па-
~ 165 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
раметров, позволяют сделать вывод о сложности процессов, вызванных действием на систему различных доз ССІ4. Для оценки динамики изменений использовался аппарат математического анализа (Рис. 1б, 2б). Зависимость f ’= ^Ш(ССЦ)) позволяет исследовать динамику процесса - чувствительность исследуемого параметра «Б> к введению ССІ4.
Точки, в которых выражение (<ІШ(ССЦ)) максимально, представляют области доз, вызывающих наиболее выраженные изменения исследуемого параметра от
степени интоксикации. Точки, в которых данная зависимость обращается в 0 (в математике такие точки называются точками экстремумов) представляют область доз, в которой реакция системы, на введённый CCI4, минимальна или отсутствует полностью. При этом важным является характер зависимости в окрестности точки экстремума: либо это точка перехода от возрастания к убыванию (экстремум - max), либо наоборот (экстремум - min).
МИТ
Число инъекций, СС14
а).
МИТ
Число инъекций, ССИ
6).
Рис. 1 (а, б). а). Зависимость числа митозов (МИТ) от степени интоксикации СС14 (Значения между узловыми точками найдены методом интерполяции); б). Показатели динамики МИТ в зависимости от степени интоксикации ССЦ: { '= ё(МИТ)/ё(ССЦ) и { ”= ё2(МИТ)/ё(ССЦ)2.
—---------д^СФС^з-------------—
■ 166 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
TF.n
X
Чило инъекций, С.С* 14 6)
Рис. 2 (а, б). а). Зависимость числа ГЕП от степени интоксикации ССІ4 (Значения между узловыми точками найдены методом интерполяции); б). - Показатели динамики ГЕП в зависимости от степени интоксикации ССІ4: f ’= <і(ГЕП)/<і(ССІ4) и f ’’= ^(ГЕП)М(ССЦ)2.
оп ст
Число инъекций, СС'14
Рис. 3. Зависимость ОП СТ от степени интоксикации CCI4 (Значения между узловыми точками найдены методом интерполяции).
—---------д^СФС^з-------------—-
~ 167 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
Исследование с использованием функций Г ”= (ё2Ш(ССЦ)2) является аналитическим инструментом, позволяющим проследить соотношение действующих в системе «сил», обеспечивающих её стационарное состояние. Точки (области доз СС14), в которых данные функции равны нулю, характеризуются как точки перегиба графика исследуемой зависимости Г= ДССЦ). В данном случае это точки характеризующие момент наступления явления декомпенсации для сложившейся структурной организации системы, которая возникает в силу нелинейности ответной реакции. Такой анализ позволяет установить начало выхода системы из сложившегося стационарного состояния и переход её в новое стационарное состояние.
Наиболее показательными для такого анализа являются результаты исследования состояния тканевых структур: гепатоцитов, митотической активности и ОП СТ. Представленные данные (число инъекций, при котором ё2Ш(ССЦ)2= 0) свидетельствуют, что с ростом степени интоксикации первая недостаточность компенсаторной реакции возникает при степени интоксикации - 4 ^ 5 инъекций СС14 (Рис. 1б, 2б.; Табл.2). Это граница физиологического состояния - зона «С», после которой реакция системы, на действие патогенного фактора, становится Таблица 2. Параметры обеспечени
не линейной. Практически это рубеж, после которого начинает формироваться новое стационарное состояние системы -хроническое (зона А - адаптивная реакция). Стабильность данного состояния системой обеспечивается до 15^ 18 инъекций ССІ4. На высоте патологии оно характеризуется достоверным (р<0.01) снижением числа гепатоцитов и стабилизацией ОП СТ на уровне превышающем норму в 1.6 раза (см. табл. 1 и рис. 3), материально обеспечивается возрастающей почти в 30 раз митотической активностью (Табл. 1). Однако через 10 суток число гепатоцитов уже достоверно не отличалось от нормального (р>0.05), снизилась и митотическая активность. В состоянии соединительной ткани достоверных изменений не произошло. Это свидетельствует о том, что в данном стационарном состоянии система обладает значительным потенциалом, но процесс полного восстановления потребует больше времени.
Дальнейший рост степени интоксикации приводит к тому, что в области 15 ^ 18 инъекций также возникает недостаточность компенсаторной реакции хронического состояния зоны А. В результате начинает формироваться новое стационарное состояние - зона АА (Табл. 2).
функциональной активности печени.
Оцениваемые параметры Ступень организации обеспечения функциональной активности (границы зон).
С (0 < И < 4.6) А (4.6 <И< 15.0) АА (15.0 < И < 41.0) ААХ (И >41)
Кг Км Кс ГЕП (п/з) 1 (20,3) < 0.84 0.84-0.62 0.62-0.6 < 0.5
МИТ (п/з) 1 (0,33) < 14.2 14.2-20.3 20.3-5.8 < 11.2
ОП СТ (усл. ед.) 1 (0,16)< 1.56 1.56-1.6 1.6 - 5.1 > 6
Примечание: 1. Коэффициенты K рассчитаны относительно интактных животных.
—---------д^СФС^з-------------—
■ 168 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
Верхняя граница зоны АА в значительной степени «размыта» и находится в области 35 ^ 42 инъекций ССЦ (Рис. 1б, 2б; Табл.2. Этот период сопровождался значительным снижением функциональной активности печени и ростом смертности животных.
В отличие от зоны А зона АА характеризуется снижением числа гепато-цитов в 1.6 (р<0,5) раза, снижением митотической активности и, как следствие ростом в 3.75 раза (р<0,01) ОП СТ.
При дальнейшем увеличения степени интоксикации можно говорить лишь о тенденциях изменения параметров, так как достоверной реакции со стороны системы на введение тетрахлорме-тана уже не наблюдалось (Рис. 1-3; Табл.2).
Объективные показатели, позволяющие дать дифференцированную оценку состояния печени животного, представлены в таблице 2.
Гомеостаз живой системы поддерживается за счёт активного внутреннего динамического противоречия, реакции на повреждения детерминированы и подчинены главной цели - обеспечению её жизнеспособности. Следовательно, при возникновении патологического состояния, внешнее вмешательство (лечение) должно быть тщательно спланированным на основе объективных данных, полученных при постановке диагноза. Только в этом случае лечение будет эффективным, приведёт к стационарности процессов и оптимальной, соответствующей сложившейся структурной организации, функциональной активности органа. Использование методов аппроксимации и математического анализа экспериментальных данных, способствует
решению этой задачи - позволяет получить значительно больше информации о состоянии печени. Такой подход к анализу данных может быть использован не только при планировании экспериментальных исследований, но и при разработке методов диагностики состояния органа в условиях клиники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Саркисов Д.С. Регенерация и её клиническое значение. М.: Медицина, 1970, 284 с.
2. Бондаренко И. Г. Молекулярные механизмы формирования цитолиза в печеночной паренхиме при острых вирусных гепатитах: Автореф. дис. . канд. мед. наук. - Л-1988.
3. Блюгер А. Ф. Основы гепатологии / Под ред. проф. А.Ф.Блюгера. - Рига: Звайгзне, 1975.-470 с.
4. Косых А.А. Соединительная ткань печени в норме, при хроническом гепатите и циррозе в условиях регенерации. Автореф. дисс. докт. мед. наук. - М., 1992.- 32 с.
5. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979, 320 с.
6. Кудрявцев В.А., Косых А.А., Козвонин В.А. Влияние озона на системные процессы патологически изменённой печени/ Ozo-noterapia. Num. 1. September 20097/Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Озон, активные формы кислорода и методы интенсивной терапии в медицине». 23-25 сентября 2009, г. Нижний Новгород. С. 34-37.
7. Кирьянов Д.В., Кирьянова Е.Н. Вычислительная физика - М.: Полибук Мультимедиа, 2006. - 352 с.: ил.
8. Поршнев С.В. Компьютернок моделирование физических систем с использованием пакета MathCad. Учебное пособие для высших учебных заведений. М:. Горячая линия - Телеком, 2004. - 320 с.
—---------д^СФС^з-------------—
~ 169 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
