Исследование воздействия нифедипина на газотранспортную функцию эритроцитов
Ястребова Екатерина Сергеевна,
аспирант 4-го года обучения ФФ НГУ, младший научный сотрудник
Лаборатория цитометрии и биокинетики, науч. рук.: к.ф.-м.н. А.В. Чернышев
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность
Эритроциты несут в себе важную информацию о способности организма регулировать кислородный обмен. Возможность определять их морфологические и функциональные параметры с высокой точностью представляется важной перспективой для развития медицины в области своевременного обнаружения патологий, связанных с гипоксическими состояниями. В данной работе мы сфокусировали свое внимание на исследовании воздействия препарата нифедипина на поведение эритроцитов, а так же на модификации и ускорении получения значений из решения обратной задачи светорассеяния. Нифедипин - это блокатор кальциевых каналов и насосов, широко используемый в медицине. Однако, механизмы действия нифедипина на клетки крови далеко не полностью изучены. В этой работе, применяя сканирующую проточную цитометрию, мы впервые экспериментально наблюдали динамику значительного увеличения скорости трансмембранного обмена HCO3- / Cl- CDB3 (основной анионообменник, AE1, Band 3, SLC4A1) эритроцитов человека в присутствии нифедипина. Молекулярно-кинетическое описание этого эффекта является актуальной задачей, так как работа данного белок лимитирует весь процесс кислородного обмена в организме.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение
Конкретная задача посвящена исследованию влияния блокатора кальциевых каналов – нифедипина на газотранспортную функцию эритроцитов. В текущих исследованиях предстояло описать данный эффект не только качественно, но и количественно. Создать модель воздействия нифедипина на анионный обмен в эритроцитах с учетом изменения внутриклеточной концентрации кальция. Раскрытие механизма воздействия нифедипина на эритроциты и его антигипоксического эффекта позволит определять необходимую индивидуальную дозу препарата для лечения, что является шагом приближающим к персонализированной медицине.
Так же была задача установить однозначную связь диаметра сферической частицы с положением предельной особенности в угловом спектре ее индикатрисы, которое было определено как положение максимума во второй производной, следующее за положением крайнего пика ненулевой частоты. Удивительным образом было установлено, что предельная особенность в спектре индикатрисы связана с максимальным линейным размером частицы, даже если она не описывается сферической моделью: диаметром эритроцита в нативной форме или большей осью тромбоцита. В результате построения этого отображения, был предложен спектральный метод характеризации сферических частиц на СПЦ, который позволяет на порядок ускорить определение их характеристик и применим в широком диапазоне как размеров частиц, от небольших тромбоцитов до эритроцитов, так и показателей преломления, что было продемонстрировано на примере анализа эритроцитов и полистирольных микросфер.
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность
Образцы крови были получены из цельной периферической крови доноров и пациентов. Пробы были собраны в одноразовые пластиковые пробирки с антикоагулянтом EDTA (этилендиаминтетрауксусная кислота) в соотношении 9:1 (кровь:EDTA). Эксперименты проводились при комнатной температуре около 22⁰ в течение 4 часов после забора крови. Измерения образцов проводились на оригинальном сканирующем проточном цитометре. С помощью которого были измерены угловые зависимости (индикатрисы) светорассеяния от одиночной частицы в полярных углах от 5° до 70° с интегрированием по азимутальному углу от 0° до 360°. В совокупности с оптической моделью эритроцита, разработанной нашей командой, представляется возможным определять с высокой точностью морфологию эритроцита. Это необходимо для детального анализа поведения кинетических кривых при изотоническом гемолизе эритроцитов и расчета из них анионного обмена с помощью математической модели лизиса. Данный подход впервые позволил исследовать поведение газотранспортной функции эритроцитов в присутствии нифедипина.
4. Полученные результаты, их уровень и значимость
Разработана молекулярно-кинетическая модель воздействия нифедипина на активацию анионных обменников в мембране эритроцитов человека. Степень активации апробирована на 20 донорах. В результате чего появилась возможность определения индивидуальной дозы препарата необходимой для достижения желаемого уровня активации анионного обмена, что может оказаться полезным при снижении риска развития гипоксических состояний в организме.
С позиции ускорения решения обратной задачи светорассеяния для сферических частиц был достигнут существенный прогресс благодаря развитию параметрического подхода к решению обратной задачи светорассеяния, заключающегося в восстановлении размера и показателя преломления частиц на основе информации, заключенной в некоторых спектральных характеристиках индикатрисы. Это позволяет в режиме реального времени получать параметры сферизованных эритроцитов и ускоряет процесс расчета скорости анионного обмена. В дальнейшем использование предельной особенности в спектре, позволит повысить точность определения морфологических характеристик эритроцитов за счет исключение параметра максимального размера из решения обратной задачи светорассеяния.
5. Вклад молодого ученого в выставляемые на конкурс работы
Участником конкурса была самостоятельно проведена экспериментальная часть работы: измерения кинетических зависимостей изотонического гемолиза от времени выдержки в нифедипине, проведенные на сканирующем проточном цитометре. Конкурсант так же занимался разработкой молекулярно-кинетической модели и анализом полученных данных и, конечно, непосредственно участвовал в подготовке статьи к публикации.
6. Список статей, опубликованных в рецензируемых журналах, индексируемых ISI
1. Ekaterina S. Yastrebova, Anastasiya I.Konokhova, Dmitry I.Strokotov, Andrei A.Karpenko,Valeri P.Maltsev, Andrei V.Chernyshev, Proposed Dynamics of CDB3 Activation in Human Erythrocytes by Nifedipine Studied with Scanning Flow Cytometry, Cytometry Part A. 95, 2019, DOI: 10.1002/cyto.a.23918, Impact Factor – 3.433 Q2 (JCR 2018)
2. Anastasiya I. Konokhova, Ekaterina S. Yastrebova, Dmitry I. Strokotov, Andrei V. Chernyshev, Andrei A. Karpenko, Valeri P. Maltsev, Ultimate peculiarity in angular spectrum enhances the parametric solution of the inverse Mie problem, J Quant Spectros Radiat Transfer, 235, 204–208 (2019), DOI: 10.1016/j.jqsrt.2019.06.034 Impact Factor - 2.955 Q1 (JCR 2018)