CC BY
4
DOI 10.29254/2077-4214-2018-3-145-234-237 УДК 611.441-018.1:001.4 Рябуха О. I.
ОБГРУНТУВАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ ПОНЯТ1ЙНОГО АПАРАТА ДЛЯ МАТЕМАТИЧНОГО ДОСЛ1ДЖЕННЯ Д1ЯЛЬНОСТ1 ГОРМОНОПРОДУКУВАЛЬНИХ КЛ1ТИН Львiвський медичний iнститут (м. Львiв)
oriabuha@ukr.net
Зв'язок публшацм з плановими науково-дослщ-ними роботами. Дана робота виконана в межах на-вчально-дослiдницькоТ теми «Патогенетичш аспекти формування алергiчних i запальних процеав, впли-вiв на реактившсть органiзму та фармакотератя», № державно! реестрацп 0111и000126.
Вступ. Найбтьш унiверсальну характеристику людському органiзму як бюлопчнш системi можна дати, оцшюючи його органiзацiю з погляду загаль-но'|' теори систем. Це зумовлюе зростаючу потребу у впровадженнi математичних технологш в проце-си дослщження бiологiчних об'еклв, оновлення та збагачення арсеналу методiв, якими послуговуеться медична дiагностика. Попри можливосп, якi вщкри-вае використання сучасно! дiагностичноТ апаратури, засадничi пiдходи до дослiджень значною мiрою залишаються емпiричними: вивчення стану та ди яльностi будь-яко! бюлопчно!' системи вiдбуваеться переважно шляхом удосконалення дiагностичних напрямкiв або методик дослщжень, якi вже iснують [1]. Разом з тим встановлення закономiрностей ди яльностi тако! надскладно! бюлоично! системи, якою е клiтина людського оргашзму, потребуе створення нових концепцiй дослщження, передовсiм розробки та впровадження сучасних експертних систем оцшю-вання змш и стану при впливах рiзних чинникiв [2].
Постановка проблеми. Медицин як комплексу наукових знань i сукупносп практичних заходiв, спрямованих на охорону i змiцнення здоров'я, про-довження перiоду активно!' жип^яльносп i працез-датносл, запобiгання хворобам та лтування хворих належить важлива роль як у життi окремого шдиви да, так i суспшьства, до якого цей iндивiд належить. Вивчення та розумшня особливостей дiяльностi ор-ганiзму людини в нормi та при патологи, усвщомлен-ня взаемопов'язаност органiзму й довкiлля збагачуе новими знаннями не тшьки медичну науку i практику, але й широке коло сумiжних i вiддалених галузей знань i сфер люд^ко! дiяльностi.
Однiею iз обов'язкових передумов функцюнуван-ня б^лотно! системи е и рiзноманiтнiсть - кiлькiсть станiв, що ¡х може набувати система. Саме рiзнома-нiтнiсть е одним iз найважливiших параметрiв уах живих систем, оскiльки вона визначае ступшь склад-ностi !х оргашзаци [1]. Попри розумiння хвороби як порушення нормального перебiгу процесiв житте-дiяльностi, iснують певнi пiдстави вважати хворобу проявом специфiчного пристосування до кнування в змiнених умовах. Поняття про здоров'я як процес пщтримання динамiчноí рiвноваги в бiологiчнiй систему якою е органiзм, а хворобу - як один iз варiан-тiв Г! адаптування до кнування в змiнених умовах [3], суттево розширюе можливостi дослiдникiв.
Дослщженнями особливостей дiяльностi оргашз-му в рiзних умовах установлено, що основы функцп щодо регулювання i контролю за вама процесами належать нервовш, iмуннiй та ендокриннiй системам [4]. Осктьки дiя переважно! бтьшосп гормонiв спрямована передовсiм на запоб^ання й усунен-ня гострих змш в оргашзму це закономiрно вису-вае пiдвищенi вимоги до забезпечення надшносп функцiонування ендокринно! системи [5]. Перебк бiльшостi метаболiчних процесiв, рiст та диферен-цiацiя тканин, процеси калор^енезу вiдбуваються за посередництвом гормошв щитоподiбноТ залози. Разом з тим саме патолопя щитоподiбноí залози за поширешстю посiдае одне з перших мкць у структу-рi за^льно! захворюваностi. Наявнi вiдомостi щодо високо! чутливостi щитоподiбноТ залози до рiзнома-нiтних пошкоджувальних чинникiв пiдтверджують потребу не ттьки у посиленнi заходiв по профтак-тицi виникнення порушень структури органа i роз-ладiв його дiяльностi, але й у поглибленш вивчення особливостей функцiонування щитоподiбноí залози та з'ясування особливостей перебку гормонопоезу в умовах норми та патологи. Проте попри безсумшвну важлив^ь розроблення нових пiдходiв до розумшня причин i механiзмiв розвитку станiв дезадаптаци I патологи щитоподiбноТ залози на органному, ^тин-ному i субклiтинному рiвнях [6], зв'язки, якi iснують у самому тироцит мiж його окремими структурни-ми складовими та мiж тироцитом i його ^тинним оточенням вивченi недостатньо. У наших попереднiх роботах [7,8,9] було репрезентовано перспективний пщхщ до дослщження дiяльностi гормонопоетичних клiтин, зокрема фолтулярних тироцитiв, за допо-могою використання сукупносп вiдповiдних математичних методiв. Водночас понятiйному апарату дослщження, здатному повноцiнно вiдображати отриманi вщомосп, не було придiлено дос^^ьо! уваги.
У св^ зазначеного метою дослщження стало створення понятшного апарата, здатного адекватно вщображати особливостi функцiональних зв'язкiв мiж ультраструктурними елементами гормонопро-дукувальних кл^ин при "[х вивченнi методом кореля-цiйного аналiзу. Беручи до уваги значення щитопо-дiбноí залози для оргашзму, об'ектом дослщження е математичш пiдходи до вивчення дiяльностi органу на органелло-кл^инному рiвнi штегрування в органiзм, а предметом дослщження - особливост1 понятiйного апарата, призначеного для з'ясування значення функцюнальних зв'язмв мiж ультраструктурними елементами фолтулярного тироцита, як1 встановленi при створенш внутрiшньо- та мiжсис-темних кореляцшних сiток.
Результати дослщження та Тх обговорення. Ура-ховуючи, що органiзм сформовано з величезноУ мль-костi складових елемен^в, кожний з яких мае свою структуру та функцю будь-яку живу систему можна зарахувати до класу надсистем зi своею iерархiею. Вивчення особливостей дiяльностi бюлопчноУ сис-теми е складним послщовним процесом, який пе-редбачае пщпорядкування визначеним вимогам. Понятiйний апарат дослщження гормонопоетичноУ клiтини повинен визначати т конкретнi напрямки УУ дiяльностi, щодо яких буде проведене дослщження. Згщно iз сучасними уявленнями кожна кл^инна ультраструктура е строго спецiалiзованою щодо на-прямку своеУ дiяльностi [10]. У такому випадку гор-монопродукувальна клiтина функцiонуе за такими визначеними напрямками, ям можна вщнести до цитофiзiологiчних мiкросистем: синтез специфiчного гормонального продукту, його секретя, транспорту-вання елiмiнованого гормонального продукту вну-трiшньоорганним мiкрокапiлярним руслом, енерге-тичне забезпечення цих процесiв.
На початку дослщження будь-якого напрямку, квалiфiкованого нами як «можливiсть», з уаеУ су-купностi клiтинних органел виокремлюють л ультра-структури, якi здшснюють його реалiзування. Таким чином вщбуваеться формування окремого кластера - «профтю» певноУ можливостi. Визначення стану кожноУ кл^инноУ ультраструктури дослщжуваноУ можливостi вщбуваеться порiвнянням УУ з двома ета-лонами, якими е УУ стан у нормi («здоров'я») та при дослщжуванш нелiкованiй патологи («хвороба»). Трансформування ямсних показникiв стану ультра-структурних елементiв профiлю у кiлькiснi здшснюють за розробленою нами шкалою цифрового оци нювання, показники якоУ можуть бути виражеш у вщсотках або у балах [11]. Отримаш цифровi пара-метри кластеру пщлягають подальшому перетворен-ню [12,13]: усередненню та встановленню мiж ними кореляцшних зв'язкiв, на основi яких здшснюють побудову внутршньосистемного кореляцiйного портрету певноУ можливост як вiзуалiзування грaфiчно-го вiдображення установлено!' кореляцшноУ атки, та проводять Ух аналiз. 1нтерпретащю отриманих даних здiйснюють виходячи iз функцюнальноУ ролi ^тин-них ультраструктур i ["рунтуючись на поняттi про кли тину як саморегулювальну бюлопчну систему, яка характеризуеться властивостями своУх елеменлв, ступенем Ух проявiв, типом i щiльнiстю зв'язкiв мiж елементами [9].
Головним завданням дiагностування бюлопчноУ системи е встановлення наявност кiлькiсних взаемозв'язкiв мiж сукупнiстю виявлених ознак I певним станом системи з урахуванням шформа-тивност кожноУ ознаки та Ух комбшацш [2,14]. По-нятiйний апарат дослiдження внутршньосистем-них кореляцiйних портретiв профiлiв можливостей гормонопродукувальних ^тин передбачае по-чаткове теоретичне визначення ультраструктур та Ух ознак, якi е функцiонально значимi для певно-го напрямку дiяльностi клiтини. 1х позначають як «опорш»; вони е спiльними для вах кореляцiйних портретiв дослщжуваноУ можливостi. Побудову кореляцшних портре^в здiйснюють на пiдстaвi практично встановлених «фактичних» ознак, якi як вщо-браження простежених кореляцшних зв'язмв мiж
ультраструктурами е шдивщуальними для кожного кореляцшного портрету. Анaлiз зв'язкiв у портрет! передбачае сшвставлення номенклатури «опорних» i «фактичних» ознак, визначення Ух спiвпaдiння чи неспiвпaдiння, спiвстaвлення з номенклатурою «вуз-лових точок», якi е локащями нaйбiльших скупчень кореляцiйних зв'язмв мiж ультраструктурами, важ-ливими для реaлiзувaння дослiджувaного напрямку дiяльностi кл^ини. Зокрема, у наших попереднiх до-слiдженнях [7,8] було встановлено, що при вивчен-нi синтетичного напрямку дiяльностi фолiкулярного тироцита «опорними» ознаками е гранулярний ци-
Рис. Узагальнена схема понятшного апарата для внутршньо-
та мiжсистемного дослiдження профiлiв можливостей гормонопродукувальних клггин.
топлазматичний ретикулум i комплекс Гольджi, тод1 як в шдивщуальних кореляцiйних портретах шляхом оцшювання конкретизувалися тaкi особливостi цих протеУносинтезувальних органел як ширина Ух еле-ментiв, кiлькiсть рибосом на Ух субструктурах, ступшь електронноУ щiльностi цитоплазматичного матрик-су, а «вузловi» точки рiзних кореляцiйних портретiв вiдрiзнялися за номенклатурою зв'язмв та ступенем зв'язкового наповнення. У сукупност це дае змогу як конкретизовувати, так i узагальнювати результати дослщження, а також розширювати ареал пошу-ку тих зaкономiрностей у дiяльностi ^тини, на як1 вказують взаемозв'язки i взaемозумовленостi мiж складовими елементами кожного дослщжуваного профiлю.
При потребi встановлення взаемозв'язмв мiж рiзними системами або у рaзi поглибленого досли дження певного напрямку дiяльностi гормонопро-дукувальноУ клiтини aнaлiз розпочинають iз встановлення пеУ частини системи, яка зазнае певного впливу («система вщгуку») та чинника - ноая впли-ву («система д1У»). У «системi вiдгуку» визначають тi склaдовi елементи, ям в дослiджувaних умовах е чутливими до «системи дм» («об'екти вiдгуку») та Ух нaйчутливiшi субсистеми («точки вщгуку»). У «сис-темi дм» визначають реaлiзaтори впливу, ям позначають як «об'ект дм» та «точка дм» (рис.). Беручи до уваги, що в единш бюлопчнш системi дiяльнiсть усiх складових елеменлв е взаемопов'язаною, визначають той iз них, який, перебуваючи за межами дослщжуваноУ системи, е найбтьш чутливим до неУ. Позначивши його як «систему притягання», визначають л його склaдовi i субсклaдовi елементи, якi в
дослщжуваних умовах зазнають найбтьшого впли-ву вiд дослщжувано!! системи - «об'ект притягання» i «точки притягання». Наприклад, при коригуванн1 стану алiментарного гiпотиреозу «системою вщгуку» буде фолiкул, «системою дм» - йодовмкна речовина, «системою притягання» - функцюнально пов'язана з тиреощним епiтелiем С-клiтина. Тодi «об'ектом вщ-гуку» буде фолiкулярний тироцит, «об'ектом дм» -спожитий йод, «об'ектом притягання» - органели С-клп"ини, «точкою вщгуку» - протешосинтезувальна органела тироциту, «точкою дм» - спожита кiлькiсть йоду, «точкою притягання» - стан ядра/органел/ци-топлазми С-кл^ини. У такому разi опосередкована впливом «точки дм» взаемодiя мiж «точками вiдгуку» i «точками притягання» стае основою для створення поглибленого внутршньосистемного^жсистемно-го кореляцшного портрета, який можна вважати ш-тегративною моделлю дiяльностi дослiджуваноí бю-логiчноí системи. Залежно вiд завдань змiстове на-повнення усього масиву дослщження («систем» дм, вiдгуку, притягання, Тх «об'ектiв» та «точок») може зазнавати змш.
Висновок. Запропонований понят1йний апарат досл1дження д1яльност1 гормонопродукувальних кл1-тин виходить i3 уявлення про кл1тину як про багато-р1вневу саморегулювальну систему, yci складовi еле-менти яко! перебувають мiж собою в установлених взаемозв'язках i взаeмовiдношеннях. Впроваджен-ня розроблених понять у практику наукових досли джень дае змогу глибше вивчати iнтимнi механiзми гормонопоезу, встановлювати найбiльш значимi i3 взаемозв'язшв i взаемовпливiв у межах дослщжу-вано! системи та пов'язаних i3 нею систем, характе-ризувати кожен iз напрямкiв дiяльноcтi гормонопро-дукувально! клiтини та з'ясовувати !х особливосп, визначати потенцiйнi i резервнi можливосл клiтини.
Перспективи подальших дослiджень вбачае-мо в практичному заcтоcуваннi розробленого по-нятiйного апарата для дослщження особливостей взаемозв'язкiв мiж органелами таких напряммв ди яльноcтi тироцита як секретя гормонального продукту, його транспортування штраорганним мтро-капiлярним руслом, енергетичне забезпечення цих процеав, а також особливостей взаемодп мiж тиро-цитом та його клiтинним оточенням.
Лггература
1. Avtandilov GG. Meditsinskaya morfometriya: rukovodstvo. Moskva: Meditsina; 1990. 384 s. [in Russian].
2. Gubler EV, Genkin AA. Primeneniye neparametricheskikh kriteriyev statistiki v mediko-biologicheskikh issledovaniyakh. Leningrad: Meditsina; 1973. 143 s. [in Russian].
3. Davydovskiy IV. Obshchaya patologiya cheloveka. 2-ye izd. Moskva: Meditsina; 1969. Vvedeniye; s. 15-37. [in Russian].
4. Teppermen Dzh, Teppermen Kh. Fiziologiya obmena veshchestv i endokrinnoy sistemy; per. s angl. Moskva: Mir; 1989. 656 s. [in Russian].
5. Kettayl VM, Arki RA. Patofiziologiya endokrinnoy sistemy; per. s angl. Moskva: Izdatel'stvo BINOM; 2016. 336 s. [in Russian].
6. Khripkov IS. Sostoyaniye mestnykh regulyatornykh sistem shchitovidnoy zhelezy pri eksperimental'nom blastomogeneze. V: Tverdokhlib IV, redactor. Materialy III Vseukr. nauk. morfolohich. konf. Karpovs'ki chytannya; 2006 Kvit 11-14; Dnipropetrovs'k. Dnipropetrovs'k: Porohy; 2006, s. 70-2. [in Russian].
7. Ryabukha Ol. Ul'trastrukturni osoblyvosti syntetychnoyi diyal'nosti folikulyarnykh tyrotsytiv pry pryymanni orhanichnoho yodu v umovakh alimentarnoho yododefitsytu. Visn. problem biol. i med. 2017;2(140):134-9. [in Ukrainian].
8. Ryabukha Ol. Doslidzhennya syntetychnoyi diyal'nosti folikulyarnykh tyrotsytiv pry pryymanni neorhanichnoho yodu v umovakh alimentarnoho yododefitsytu. Visn. problem biol. i med. 2017;3(141):218-23. DOI: 10.29254/2077-4214-2017-4-3-141-218-23 [in Ukrainian].
9. Ryabukha OI. Perspektyvy zastosuvannya novykh pidkhodiv do vprovadzhennya matematychnykh tekhnolohiy dlya vyvchennya diyal'nosti klityny. Medychna informatyka ta inzheneriya. 2018;1:67-75. DOI: 10.11603/mie.1996-1960.2018.1.8894 [in Ukrainian].
10. Lutsenko MT. Tsitofiziologiya. Novosibirsk; Blagoveshchensk: SO RAMN; 2011. 216 s. [in Russian].
11. Ryabukha Ol. Ob''yektyvizatsiya morfofunktsional'noho stanu tyrotsyta shlyakhom vyznachennya profiliv yoho spetsial'nykh mozhlyvostey. Tavricheskiy medico-biologicheskiy vestnik. 2006;9(3/3):156-8. Dostupno: https://drive.google.com/file/d/1d7vWEk0-C0eERR0YtNEZuvTDB55oFjY2/view?usp=sharing [in Ukrainian].
12. Plashchevaya EV, Smirnov VA, Nigej NV, Lysak VA. Osnovnyye vidy vrachebnoy logiki. V: Posobiye dlya prakticheskikh zanyatiy po meditsinskoy informatike. Blagoveshchensk: AGMA; 2014. s. 176. [in Russian].
13. Batushansky A, Toubiana D, Fait A. Correlation-Based Network Generation, Visualization, and Analysis as a Powerful Tool in Biological Studies: A Case Study in Cancer Cell Metabolism. BioMed Research International. 2016; ID 8313272:9. Available from: http://dx.doi. org/10.1155/2016/8313272
14. Murray JD. Mathematical Biology ll: Spatial Models and Biomedical Applications (Interdisciplinary applied mathematics). 3rd ed. New York: Springer. 2003;18:811.
ОБГРУНТУВАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ ПОНЯТ1ЙНОГО АПАРАТА ДЛЯ МАТЕМАТИЧНОГО ДОСЛ1ДЖЕННЯ Д1ЯЛЬНОСП ГОРМОНОПРОДУКУВАЛЬНИХ КЛ1ТИН Рябуха О. I.
Резюме. Розроблено понятшний апарат, здатний вщобразити особливосп функцюнальних зв'язмв мiж ультраструктурними елементами гормонопоетичних клп"ин при !х вивченш методом кореляцшного аналiзу шляхом створення внутршньо- та мiжcиcтемних кореляцшних аток. На прикладi дослщження особливостей гормонопоезу в фолтулярному тироцит наведено термшолопю, яка на кожному з його етатв вщображае номенклатуру та кшьтсть кореляцшних зв'язтв, що простежуються мiж зацтавленими органелами, а також зазначено термшолопчш особливосп при використанш покроково! схеми мiжcиcтемно! взаемоди тироцита з його клп"инним оточенням. Впровадження розроблених понять у практику наукових дослщжень дае змогу глибше вивчати штимш мехашзми гормонопоезу, встановлювати найбшьш значимi iз взаемозв'язтв i взаемовпливiв у межах дослщжувано! системи та пов'язаних iз нею систем, характеризувати кожен iз напрямтв дiяльноcтi гормонопродукувально! кл^ини та з'ясовувати !х оcобливоcтi, визначати потенцшш i резервнi можливоcтi клiтини.
Ключовi слова: математичнi технологГ! в медицинi, щитоподiбна залоза, тироцит, кореляцiйний аналiз, кореляцiйнi ciтки.
ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОНЯТИЙНОГО АППАРАТА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОРМОНПРОДУЦИРУЮЩИХ КЛЕТОК
Рябуха О. И.
Резюме. Разработан понятийный аппарат, способный отразить особенности функциональных связей между ультраструктурными элементами гормонопоетических клеток при их изучении методом корреляционного анализа путем создания внутри- и межсистемных корреляционных сетей. На примере исследования особенностей гормонопоеза в фолликулярном тироците приведена терминология, которая на каждом из его этапов отражает номенклатуру и количество корреляционных связей, которые прослеживаются между заинтересованными органеллами, а также указано терминологические особенности при использовании пошаговой схемы межсистемного взаимодействия тироцита с его клеточным окружением. Внедрение разработанных понятий в практику научных исследований позволяет глубже изучать интимные механизмы гормонопоеза, устанавливать наиболее значимые из взаимосвязей и взаимовлияний в рамках исследуемой системы и связанных с ней систем, характеризовать каждый из направлений деятельности гормонпродуцирующей клетки и выяснять их особенности, определять потенциальные и резервные возможности клетки.
Ключевые слова: математические технологии в медицине, щитовидная железа, тироцит, корреляционный анализ, корреляционные сети.
SUBSTANTIATION OF CONCEPTUAL APPARATUS FOR MATHEMATICAL STUDIES ON THE HORMONE-PRODUCING CELLS ACTIVITY
Ryabukha O. I.
Abstract. Despite the opportunities opened by the use of modern diagnostic equipment, fundamental approaches to research in medicine remain largely empirical: studying the state and activities of any system is mainly performed through improvement of already existing areas or techniques. However, establishing the operation regularities of such a complicated biological system as the cell, requires creation of new research concepts, particularly the development and implementation of innovative expert systems for assessing changes in its state under the impact of various factors.
Pathology of the thyroid gland occupies a significant place in the structure of general morbidity. Available information on the high sensitivity of this organ to various damaging factors confirms the need to deepen the study of its functioning, particularly, in clarifying features of the hormonopoiesis course under normal conditions and pathology. However, despite the undoubted importance of creating new approaches to elucidation of the causes and studying the mechanisms of adaptation processes and maladaptation development in the gland at the cellular and subcellular levels, mathematical technologies for objectivating the links between the thyrocyte organelles and between its cellular environment are not sufficiently developed.
The present study is devoted to clarifying the conceptual apparatus for the mathematical research of the hormone-producing cells activity at the ultrastructural level of their organization. The step-by-step algorithm of the study is presented on the example of a follicular thyrocyte. Analysis of electron diffraction patterns, made according to generally recognized procedures, starts with the theoretical definition of the ultrastructures significant for implementation of a particular cell activity field. The following steps are digital assessment of their number and status and establishment of correlation links between them.
The most functionally significant organelles are designated as "supporting". On the basis of "factual" signs (ultrastructures of the studied field, between which significant correlation links have been traced), an individual correlation portrait is constructed as a variant of the correlation net. Referencing the "supporting" and "factual" features nomenclature, their comparison with the nomenclatures and the "nodal points" filling (locations of the largest correlation links aggregates) permit both to specify and generalize the obtained data on the state of organelles in each field of the hormone-producing cell's activity. If considered necessary to deepen the study, determined are the organelle that has the most functional significance for the cell activity studies ("feedback system"), and another factor impacting the organelle ("action system"). In the "feedback system", the "feedback object" is defined as the constituent element undergoing the greatest changes caused by the "action object". In the "action object", "points of action" are defined: the subsystems having the most links, particularly, significant ones.
Since the activity of all the constituent elements is interconnected in a single biological system, determined are the elements outside the studied system and the most sensitive to it (the "attraction system") and those components and sub-components which are the most greatly influenced by the studied conditions ("attraction objects" and "points of attraction"). In this case, the interaction between "points of feedback" and "points of attraction" is mediated by "points of action", and becomes the basis for creating an integrative model of the hormone-producing cell's activity.
Practical implementation of the developed conceptual apparatus permits to investigate more intimate mechanisms of hormonopoiesis, to establish the most significant interconnections and interactions within the limits of the studied system and the systems associated with it, to characterize each field of the hormone-producing cell's activity, to clarify their features, and to determine the potential and spare capacities of the cell.
Key words: mathematical technologies in medicine, thyroid gland, thyrocyte, correlation analysis, correlation nets.
Рецензент - проф. брошенко Г. А.
Стаття надшшла 20.08.2018 року
