WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 |

Экспериментально-теоретическое исследование водно-электролитного обмена клетки транспортного эпителия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи













Иляскин Александр Владимирович



Экспериментально-теоретическое исследование

водно-электролитного

обмена клетки транспортного эпителия

03.01.09 Математическая биология, биоинформатика






Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук














Новосибирск

2013

Работа выполнена в секторе молекулярной физиологии клетки лаборатории физиологической генетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск, Россия.

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент

Соленов Евгений Иванович

Официальные оппоненты: Меркулова Татьяна Ивановна,

доктор биологических наук, профессор,

зав. лабораторией регуляции экспрессии генов, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Романюха Алексей Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, заместитель директора,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики РАН, г. Москва

Ведущее учреждение: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «___» ____________ 2013 г. на утреннем заседании

диссертационного совета Д 003.011.01 по защите диссертаций на соискание ученой

степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук в ИЦиГ СО

РАН в конференц-зале Института по адресу:

630090, г. Новосибирск, проспект ак. Лаврентьева, 10, т./ф. (383)363-49-06, факс

(383) 333-12-78, e-mail: dissov@bionet.nsc.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЦиГ СО РАН.

Автореферат разослан «___» _____________ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук Т.М. Хлебодарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нарушения водно-солевого баланса являются распространенными патологическими состояниями, сопутствующими многим заболеваниям (Avner, 1995; Pfennig, Slovis, 2012). Примерами таких нарушений являются гипертензия (Navar, 2010), отеки (Sterns, Silver, 2006; Hoorn, Zietse, 2013), задержка в выведении воды из организма при застойной сердечной недостаточности, гипонатриемия у пациентов с синдромом нарушенного антидиуреза при раковых заболеваниях, потеря воды при лечении маниакально-депрессивного синдрома солями лития и многие другие (Bagshaw et al., 2009). Принимая во внимание значение водно-электролитного гомеостаза для жизнедеятельности организма, важность изучения механизмов его поддержания не вызывает сомнений.

Водно-солевой баланс организма определяется процессами транспорта воды и осмолитов на клеточном уровне. Поддержание водно-солевого баланса обеспечивается клетками транспортного эпителия, в частности главными клетками собирательных трубок наружного мозгового вещества (OMCD) почки. Главные клетки собирательных трубок ответственны за реабсорбцию воды, Na+ и секрецию K+ (Breyer, Ando 1994), поэтому транспорт ионов и воды через мембрану данного типа клеток достигает значительных величин. Кроме того, осмотическое давление канальцевой жидкости, контактирующей с клетками, изменяется в широких пределах. Наиболее опасна для клеток гипотоническая среда, поскольку в результате возрастания объема клетки может произойти нарушение целостности плазматической мембраны. Очевидно, что для функционирования в таких условиях главные клетки собирательных трубок наружного мозгового вещества почки должны обладать эффективным механизмом регуляции осмотического гомеостаза.



В регуляции баланса электролитов и, соответственно, клеточного объема участвуют характерные для каждого типа клеток каналы и транспортеры основных ионных осмолитов, находящиеся в плазматической мембране (Hebert et al., 2005). Так, проницаемость главных клеток собирательных трубок для воды обусловлена наличием в мембране водных каналов, формируемых аквапоринами (Nielsen et al., 2002). Ионная проницаемость мембраны главных клеток обеспечивается широким спектром ионных каналов и транспортеров (Legato et al., 2003).

Для исследования физиологических характеристик клетки, относящихся к трансмембранному и трансцеллюлярному транспорту воды и осмолитов, разработан ряд электрофизиологических методов (Ogden, Stanfield, 1994; Molleman, 2002). Однако методы электрофизиологии не позволяют проводить изучение интактных клеток. Кроме того, практическая реализация данных подходов представляет значительную сложность. В качестве альтернативы были разработаны флуоресцентные методы, позволяющие производить измерение характеристик клетки (объема, внутриклеточной концентрации осмолитов, pH), не нарушая её целостности в условиях близких к условиям in vivo (Chifflet, Hernndez, 2007) (Hamann, Kiilgaard et al. 2002; Solenov, Watanabe et al. 2004).

Полученные экспериментальные данные нуждаются в средствах обработки и анализа. В этой связи широкое распространение получили методы математического моделирования, которые позволяют проводить анализ экспериментальных данных и рассчитывать физиологические характеристики клетки, недоступные для прямого экспериментального измерения. В частности, математические модели мембранного транспорта необходимы для получения количественных оценок интенсивности транспорта электролитов и воды. Ввиду множественности параллельных путей переноса ионов через клеточную мембрану определение вклада каждого из них в общий трансмембранный поток осмолитов требует моделирования функционирования системы в целом.

Разработанные на сегодняшний день модели трансмембранного транспорта главных клеток собирательных трубок почки (Weinstein, 1997; 1999; 2001; 2003) не предназначены для обработки и анализа экспериментальных данных. Поэтому существует необходимость создания модели мембранного транспорта, описывающей динамику клеточного объема и основных ионных осмолитов, которая может применяться в качестве инструмента для исследования физиологических характеристик реальных клеток.

Разработка экспериментально-теоретического подхода к исследованию характеристик трансмембранного транспорта в главных клетках собирательных трубок наружного мозгового вещества (OMCD) почки является актуальной проблемой. Остается не исследованным на количественном уровне вклад различных механизмов транспорта (каналов и транспортеров) в общий трансмембранный поток ионов. Не ясны все аспекты механизма адаптации данных клеток к переносу различных количеств ионов натрия и калия. Необходимы исследования адаптивных процессов, обеспечивающих сохранение жизнеспособности клетки при действии гипотонической среды.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось экспериментально-теоретическое исследование водно-электролитного обмена главных клеток OMCD. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

  1. Создать математическую модель мембранного транспорта главной клетки OMCD, с помощью которой возможно проводить анализ экспериментальных данных по динамике клеточного объема и внутриклеточных концентраций осмолитов.
  2. С помощью созданной модели мембранного транспорта определить физиологические характеристики переноса веществ через плазматическую мембрану главных клеток OMCD.
  3. Использовать созданную модель мембранного транспорта для оценки влияния повышенного потребления NaCl на проницаемость мембраны главных клеток OMCD для ионов натрия и калия.
  4. Использовать созданную модель мембранного транспорта для определения водной проницаемости мембраны и эффективности механизма регуляторного снижения объема (RVD) при действии на главные клетки OMCD гипотонической среды.

Научная новизна работы. Впервые был создан экспериментально-теоретический подход к исследованию водно-электролитного баланса главных клеток собирательных трубок наружного мозгового вещества почки. Принцип подхода заключался в сочетании экспериментальных методов исследования внутриклеточной концентрации ионов натрия и объема клетки и математического моделирования процессов трансмембранного транспорта. Получены количественные оценки проницаемости мембраны главных клеток OMCD для ионов Na+, K+ и Cl- и интенсивности трансмембранных ионных потоков. Установлено, что поток ионов через котранспортеры KCC (K+Cl-) и NKCC (Na+K+2Cl-) в главных клетках собирательных трубок незначителен по сравнению с ионными потоками через каналы и Na/K-насос. Показано, что повышенное потребление NaCl вызывает трехкратное снижение проницаемости мембраны главных клеток OMCD для ионов Na+ и K+. Одновременное пропорциональное изменение проницаемости мембраны для ионов приводит к изменению величины трансцеллюлярного ионного потока, при этом значения объема клетки, внутриклеточных концентраций ионов и мембранного потенциала остаются без изменения. Впервые получена динамика относительного объема главных клеток OMCD при действии гипотонической среды с высоким временным разрешением. Впервые показано, что гипотонический шок вызывает десятикратное снижение водной проницаемости мембраны главных клеток OMCD. Установлено, что главные клетки OMCD обладают эффективным механизмом регуляторного снижения объема (RVD) в ответ на действие гипотонической среды, главную роль в котором могут играть потоки ионов калия и органических анионов из клетки.





Практическая ценность работы. Полученные данные дополняют существующие представления о механизмах поддержания водно-электролитного гомеостаза как главных клеток эпителия собирательных трубок почки, так и организма в целом. Созданный экспериментально-теоретический подход к определению физиологических характеристик клетки, измерение которых в экспериментах затруднено или невозможно, существенно расширяет возможности исследования процессов транспорта воды и осмолитов через мембрану клетки. Благодаря возможности включения в модель дополнительных путей трансмембранного транспорта, созданная математическая модель может быть адаптирована для изучения клеток, отличных от главных клеток OMCD. Дальнейшее развитие созданного экспериментально-теоретического подхода к исследованию клетки позволит повысить эффективность разработки новых стратегий коррекции патологий водно-электролитного обмена.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Разработанная математическая модель транспорта ионов и воды через плазматическую мембрану главных клеток собирательных трубок наружного мозгового вещества почки позволяет определять значения проницаемости мембраны для ионов Na+, K+, Cl- и воды по экспериментально полученным внутриклеточным концентрациям ионов натрия, хлора и динамике клеточного объема. 
  2. Хроническая солевая нагрузка вызывает более чем трехкратное снижение проницаемости плазматической мембраны главных клеток собирательных трубок наружного мозгового вещества почки крыс для ионов Na+ и K+ без изменения внутриклеточных концентраций ионных осмолитов и разности электрических потенциалов на плазматической мембране.
  3. Механизм адаптации главных клеток собирательных трубок наружного мозгового вещества почки крыс к действию гипотонической среды заключается в быстром снижении водной проницаемости плазматической мембраны и быстром регуляторном снижении клеточного объема за счет выхода из клетки ионов калия и органических анионов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 статьи в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009), Международной конференции «Рецепция и внутриклеточная сигнализация» (Пущино, 2009), на VII Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем», посвященной 160-летию со дня рождения И.П. Павлова (Санкт-Петербург, 2009), на XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010), на VII международной конференции BGRS (Новосибирск, 2010), на I международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2010), на 55 ежегодном съезде Биофизического общества (Балтимор, США, 2011), на международной конференции, посвященная 100-летию А.А. Ляпунова «Современные проблемы математики, информатики и биоинформатики», (Новосибирск, 2011), на III съезде физиологов СНГ (Ялта, Украина, 2011), на VII Сибирском съезде физиологов (Красноярск, 2012), на IV съезде биофизиков России (Нижний Новгород, 2012), на 57 ежегодном съезде Биофизического общества (Филадельфия, США, 2013).

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов исследования, обсуждения, выводов, библиографического списка и 1 приложения. Работа изложена на 117 листах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 284 источника.

Личный вклад автора. Основная часть работы выполнена автором самостоятельно. Экспериментальная установка для проведения флуориметрического анализа главных клеток собирательных трубок почки была создана совместно с д.б.н. Соленовым Е.И. Создание математической модели мембранного транспорта и её реализация в виде компьютерной программы на языке C++ осуществлялась в сотрудничестве с к.ф.-м.н. Карповым Д.И., к.ф.-м.н. Медведевым Д.А. и д.ф.-м.н. Ершовым А.П. (ИГиЛ СО РАН). Основные результаты, представленные в публикациях, были получены автором.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальные животные



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.