Как математика помогает понять, что происходит в наших кровяных клетках

Исследователи из Института цитологии (ИНЦ) РАН разработали математическую модель, которая позволяет анализировать ионный транспорт в эритроцитах — красных кровяных клетках, отвечающих за перенос кислорода и других важных веществ в организме. Эта модель может помочь выявить причины и последствия нарушений в этом процессе, а также быть применима для изучения других типов клеток.

Как работают эритроциты

Эритроциты — один из трех основных типов клеток крови, которые образуются в костном мозге и живут около 120 дней. Они имеют дискоидную форму и не содержат ядра, что позволяет им легко проникать в узкие сосуды и обеспечивать транспорт кислорода от легких ко всем тканям организма. Кроме того, эритроциты участвуют в свертывании крови, переносе ферментов, витаминов и аминокислот.

Для выполнения своих функций эритроциты используют специальные белки — ионные каналы и переносчики, которые расположены на поверхности клеточной мембраны. Эти белки позволяют эритроцитам поддерживать динамическое равновесие с окружающей средой и проникать в клетку необходимые для организма ионы натрия, калия и хлора. Эти ионы регулируют объем клетки, электрический потенциал мембраны, активность ферментов и другие процессы.

Нарушение работы ионных каналов и переносчиков может привести к серьезным проблемам для организма. Например, известно, что при некоторых наследственных заболеваниях, таких как сфероцитоз или эллиптоцитоз, происходят деформации формы эритроцитов из-за дефектов мембраны. Это уменьшает способность этих клеток переносить кислород и увеличивает риск анемии, тромбоза и инфаркта.

Что делает математическая модель

Математическая модель, разработанная в ИНЦ РАН, представляет собой систему уравнений, которые описывают перенос ионов калия, натрия и хлора через мембрану эритроцитов. С помощью изменения коэффициентов этих уравнений можно оценить, как эти процессы влияют на функционирование клетки.

— старший научный сотрудник группы моделирования нейродегенеративных заболеваний ИНЦ РАН Валентина Юринская.



Модель использует минимальный набор экспериментальных данных, таких как концентрации ионов внутри и снаружи клетки, потенциал мембраны, скорость потока ионов через каналы и переносчики. На основе этих данных модель позволяет выявить причины нарушений в ионном транспорте и предсказать их последующую динамику.

Кроме того, исследование показало, что такая модель может быть применима и для изучения других типов клеток, таких как нейроны, мышечные клетки или эпителиальные клетки. Для этого достаточно изменить набор ионных каналов и переносчиков, участвующих в транспорте ионов.

Зачем это нужно

Разработанная в ИНЦ РАН математическая модель может быть полезна для обнаружения нарушений в работе ионного транспорта в эритроцитах, которые могут быть связаны с различными заболеваниями или факторами окружающей среды. Например, модель может помочь изучить, как изменяется транспорт ионов в клетках во время апоптоза — процесса гибели клеток, которым организм регулирует свои запасы клеток. Апоптоз может быть вызван различными причинами, такими как стресс, инфекции, радиация или химические вещества.

Использование математических методов позволяет получить результаты, которые не достижимы другими методами изучения клеточных процессов. Например, модель позволяет учитывать нелинейность и сложность системы, а также уменьшить количество необходимых экспериментов.


— Валентина Юринская.

Исследование было поддержано Минобрнауки России, оно является частью большой работы сотрудников ИНЦ РАН по исследованию различных аспектов ионного гомеостаза в клетках. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Plos One.