CC BY
203
оказывающих влияние на У02 использовались МОД, ЧД, Ра02, 8а02, рНа, МОК,
Путём перебора была выбрана 4-х факторная регрессионная модель со следующими показателями в качестве переменных:
У - У02;
XI - МОД;
Х2 - РаО2 Х3 - 8а02;
Х4 - МОК
Значения коэффициентов регрессионной модели и характеристики их значимости представлены в табл. 2
Табличное значение 1-критерия при 5% уровне значимости в данном случае равен 1кр = 1,972. Для свободного коэффициента а0 расчётное значение 1-критерия меньше табличного 1-кр, следовательно коэффициент а0 не является статистически значимым. Кроме того, стандартная ошибка значительно превышает величину данного коэффициента по модулю. Р - значение больше 0,05, поэтому коэффициент а0 может считаться нулевым. Значения 1-критериев остальных коэффициентов больше 1кр, и они являются значимыми. По показателю р-значения все коэффициенты а1, а2, а3, а4 достоверно отличаются от нуля.
В результате была получена модель следующего вида:
У = -0,1889 Х1-2,1255Х2+1,13Х3+0,2257Х4
Таблица 2
Оценка коэффициентов регрессионной модели
№ Факторная переменная Коэффициент Стандартная ошибка t-критерий p-значимость
a0 0,0002 0,0511 0,003 > 0,05
a1 X1 -0,1889 0,0279 б,772 < 0,05
a2 X2 -2,1255 0,10б2 20,021 < 0,05
a3 X3 1,13 0,0735 15,382 < 0,05
a4 X4 0,2257 0,00б5 34,583 < 0,05
Величина коэффициента детерминации Я2 (табл. 3) указывает на высокую точность аппроксимации и адекватность модели. Значение Б-критерия больше табличного значения Бкр=2,37, р-значимость Б меньше 0,05 , поэтому модель значима.
Таблица 3
Показатели адекватности регрессионной модели
Коэффициент детерминации R2 Стандартная ошибка F-критерий p-значимость F
0,99 0,721 271,39 <0.05
Полученное регрессионное уравнение содержит набор ге-модинамических детерминант, определяющих потребление кислорода в уравнении Фика и в достаточной степени может характеризовать функционирование отдельных звеньев газотранспортной системы.
Соотношение между фактическим потреблением кислорода при физической нагрузке, рассчитанным по представленному уравнению и должным потреблением кислорода будет использоваться в качестве целевой функции, минимизация которой методом линейного программирования даст возможность определить оптимальное соотношение параметров газотранспортной системы в режиме максимальной физической нагрузки.
Предполагается, что проведение дальнейших исследований позволит разработать качественно новые методики индивидуальной оценки и прогнозирования физической работоспособности организма спортсменов в условиях предельных физических нагрузок.
Литература
1. Бейли Н. Математика в биологии и медицине. М.: Мир.
1970
2. Владимирский Б.М. Математические методы в биологии. Ростов.: изд-во Рост. ун-та. 1983
3. Гроссман С., Тернер Дж. Математика для биологов. М.: Высшая школа, 1983
4. Гусев А. В., Котов Ю. Б., Орджоникидзе З. Г., Павлов В. И., Эсселевич И. А. Исследование динамики высоких физических нагрузок с помощью методов компьютерного тестировния и методов математического моделирования // Информационные технологии и вычислительные системы. №°1. 2007. С. 49-55.
5. Демиденко Б.З. Оптимизация и регрессия. М.: Наука
1989.
6. Карпман В.Л. Сердечно-сосудистая система и транспорт кислорода при мышечной работе./ Клинико-физиологические характеристики сердечно-сосудистой системы у спортсменов. Юбилейный сборник. М.: РГАФК, 1994.
7. Коц ЯМ. Спортивная физиология. М.: ФиС, 1986
8. Физиология мышечной деятельности / Под ред. Коца Я.М. М.: ФиС. 1982.
USING THE MATHEMATICAL MODELING IN ESTIMATION AND OPTIMIZATION OF OXIGEN TRANSPORT SY7STEM
S.N. VINOGRADOV
Ulyanovsk State University
The article considers the possibility of using mathematical modeling methods as means of estimating oxygen transport system during maximal physical activity. A regression model defining main gas transport system units is offered.
Key words: gas transport system, mathematical modeling, correlation and regression analysis, multiple regression model.
УДК 616.316.1-002
ОСОБЕННОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ БАКТЕРИЙ В СОСТАВЕ БИОПЛЕНОК НА ПРИМЕРЕ УРОПАТОГЕННЫХ КИШЕЧНЫХ ПАЛОЧЕК
Т.В. ЧЕСТНОВА, Н.В. СЕРЕГИНА*
Проведено изучение уропатогенных кишечных палочек в структуре биологических пленок при уроинфекциях, с целью исследования механизмов уропатогенности при инфекциях мочевыводящих путей различной локализации.
Ключевые слова: биопленка, инфекция мочеполовой системы, патогенный потенциал.
В настоящее время наблюдается переход от традиционного представления о бактериях как строго одноклеточных организмах к представлению о микробных сообществах как целостных структурах, регулирующих свои поведенческие реакции в зависимости от изменения условий обитания. Колонии практически всех видов бактерий демонстрируют способность к клеточной дифференцировке и многоклеточной организации. Эта способность наиболее очевидно проявляется при росте бактерий в их природных местах обитания, где они формируют различные многоклеточные структуры: биопленки (biofilm), бактериальные маты и плодовые тела [3].
Начиная с XVII века, когда А.Левенгук описал «animaculum» в кариозном пятне собственного зуба, биопленки описаны во многих системах. Однако только в 1978 г. была сформулирована общая теория существования биопленок. Согласно этой теории, большинство бактерий растут в замкнутых матрицах-биопленках, прикрепленных к поверхностям любых обеспеченных питанием и содержащих воду экосистемам, и эти обширно связанные с поверхностью бактериальные клетки существенно отличаются от своих планктонных (свободно плавающих) двойников [7]. Позднее было предложено несколько определений биопленок.
Donlan R.M., Costerton J.W. [1] называют биопленку микробным сообществом, состоящим из клеток, плотно прикрепленных к субстрату, поверхности или друг к другу, заключенным в матрицу внеклеточных полимерных субстанций, продуцирующих и проявляющих измененный фенотип в соответствии с уровнем роста и транскрипцией генов.
Сидоренко С.В. [5] определяет биопленку как несколько слоев микроорганизмов, покрытых общим гликокаликсом -сложной полимерной структурой полисахаридной природы.
Маянский А.Н. [4] утверждает, что биопленки являются главной причиной бактериальной персистенции, содействуя общению между микробами.
В составе биопленок в естественных экосистемах существуют практически все бактерии. Однако наибольшее клиническое значение имеют биопленки, формируемые Staphylococcus sp., Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli. Из эукариотических микроорганизмов основное значение имеют Candida sp. [5,6].
Исследования с «дикими» и хорошо адгезирующими штаммами показали, что гладкие поверхности колонизируются так же
* ГОУ ВПО Тульский государственный университет, медицинский институт
легко, как и шероховатые, а физические особенности поверхности очень незначительно влияют на бактериальную адгезию [7].
Развитие зрелой биопленки проходит через программированную серию событий. После прикрепления клетки размножаются, образуя монослой на твердой поверхности. Отдельные клетки далее проявляют поверхностную подвижность, зависящую от наличия пилей IV типа. В результате поверхностной подвижности Pseudomonas aeruginosa формирует небольшие группы, названные микроколониями. Микроколонии затем дифференцируются для формирования зрелой биопленки. Микроколонии в зрелой биопленке имеют вид башни или грибовидную архитектуру. Клетки в этих структурах упаковываются во внеклеточные полисахаридные матрицы. Структуру биопленки пронизывают водные каналы, через которые внутрь поступают питательные вещества и удаляются продукты метаболизма. При этом внутри биопленки наблюдается значительная гетерогенность.
У Pseudomonas aeruginosa [2,4,5] выявлен огромный градиент перепада кислорода. Если на перефирии биопленки кислород присутствует в изменяемых концентрациях, то в более глубоких слоях он только переносится по водным каналам. Сходные градиенты выявлены для рН и питательных веществ. Эти градиенты обуславливают физиологическую вариабельность среди отдельных клеток биопленок. Так клетки, находящиеся в глубоких слоях биопленки, характеризуются низкой скоростью роста, а клетки на периферии растут более активно. При этом, если биопленка сформировалась в слабо подвижной среде, то она имеет низкую силу натяжения и легко разрывается, тогда как биопленка, сформированная в высокоподвижной среде, имеет высокую силу натяжения и очень устойчива к разрывам.
Природа структуры биопленки и ее физиологические свойства обеспечивают входящим в ее состав микроорганизмам повышение устойчивости к антибиотикам, дезинфектантам и отрицательному влиянию со стороны макроорганизма. В качестве механизмов приобретенной устойчивости здесь могут выступать такие факторы как, значительное снижение проникновения антимикробного препарата в матрицу биопленки, медленное размножение микроорганизмов в биопленке, физиологические изменения, связанные с механизмом роста биопленки.
Структура биопленки делает клетки бактерий в ее составе труднодоступными для атаки иммунной системы макроорганизма. Можно сделать предполажение, что биопленки играют важную роль при хронических и персистирующих бактериальных инфекциях. Для некоторых гнойно-воспалительных заболеваний, таких как периодонтиты, эндокардиты, циститы, пиелонефриты, муковисцидоз, связь остается достаточно заметной. Бактериальные клетки периодически покидают биопленку, создавая возможность обострений и новых очагов инфекции [4].
Бактерии в составе биопленки постоянно контактируют. Им присуще «чувство кворума» (guorum sensing). Это понятие было предложено в 1994 г. Оно означает восприятие клетками изменений среды, которые наступают при достижении бактериальной культурой пороговой численности, и реакцию на эти изменения [3].
Ряд авторов [2] отмечают, что характерным признаком всех регуляторных систем в биопленке, работающих по принципу кворума, является наличие двух регуляторных белков Luxl-подобного, ответственного за связывание своего родного аутоиндуктора. Это позволяет образовавшемуся комплексу присоединиться к промотору специфического гена-мишени и активировать его транскрипцию. Таким образом, обеспечивается последовательная инициация каскадов двух регуляторных систем и определенный порядок проявления активности генов. Этот генетический механизм позволяет патогенным бактериям очень рационально реализовывать свой болезнетворный потенциал. На практике это означает, что регуляторные сигналы, передающиеся от клетки к клетке, позволяют бактериям координировать свои действия, превращаясь в нужное время в многоклеточный организм, состоящий из миллионов и миллиардов одинаковых бактериальных клеток. Серьезной проблемой клинической практики является широкое распространение устойчивых форм микроорганизмов, снижающее эффективность применения антибактериальных препаратов. Поэтому изучение механизмов таких реакций открывает новые возможности для предупреждения и лечения болезней, вызванных микробными агентами, а также позволяет по-иному взглянуть на сложный комплекс межвидовых бактериальных взаимодействий в природных местах обитания микроорганизмов.
Инфекции мочевыводящей системы, прежде всего пиело-
нефрит и цистит, представляют серьезную медико-социальную проблему. Учитывая, что в основе патогенеза лежат вирулентные особенности возбудителей, рассмотрим их у явного лидера в структуре уропейзажа - Escherichia coli.
Уропатогенные Escherichia coli, или УПИК (UPEC), - одни из основных возбудителей инфекций мочевыводящих путей. По официальным данным они вызывают 80-90% внебольничных и 2б% нозокомиальных поражений. Особенно часто они вызывают заболевания у детей (более 90%) случаев. Ряд авторов считает, что несмотря на то, что дискуссии о проникновении возбудителя в органы мочевыводящей системы не окончены, при пиелонефрите приоритетным источником энтеробактерий является кишечник, а ведущим механизмом инфицирования почек служит лимфогематогенная миграция бактерий, сопряженная с процессом их транслокации.
Поздеев О.К. и Федоров Р.В. [7] так же говорят о том, что ведущая этиологическая значимость бактерий обусловлена их доминированием среди факультативно-анаэробной флоры кишечника, откуда они попадают во влагалище, периуретральную область либо на крайнюю плоть. Затем бактерии проникают в уретру, мочевой пузырь, прикрепляются к переходному эпителию и активно размножаются. Определенную роль в развитии инфекции играют анатомические и физиологические аномалии, затрудняющие нормальную эвакуацию мочи, например стенозы уретры или везикулоуретральный рефлюкс. Спектр поражений, вызываемый УПИК, варьирует от бессимптомной бактериурии до осложненных пиелонефритов.
Основными возбудителями выступают бактерии сероваров
О1, О2, О4, Об, О7, О18 и О75.
Уропатогенные кишечные палочки характеризуются сниженной ферментацией некоторых сахаров (лактозонегативность), свойством связывать конго-красный, узким спектром колицино-чувствительности, полиантибиотикорезистентностью, наличием большого числа факторов патогенности [б,7].
Патогенез поражений включает: адгезию бактерий на эпителии, выделение цитотоксинов и развитие местной воспалительной реакции.
Патогенный потенциал УПИК обусловлен активностью ряда факторов, большинство которых, в отличие от факторов патогенности диареегенных эшерихий, кодируют хромосомные гены, дислоцированные в четырех «островах патогенности» (PAI IV). Они включают гены, контролирующие синтез фимбриальных адгезинов (первого типа, P, S, F, G и X), а-гемолизина, CNF-1, сидерофоров, а также белков секреции III типа.
Маркеры уропатогенности эшерихий [5,б,7]:
Адгезия бактерий на эпителии. Способность к колонизации эпителия мочевыводящих путей определяет наличие комплекса поверхностных адгезинов, представленных манноза-
резистентными и манноза-чувствительными гемагглютининами, препятствующих смыванию бактерий током мочи.
Манноза-чувствительные (MS) гемагглютинины, представленные фимбриями первого типа, экспрессируют практически все известные штаммы УПИК. Их образуют ригидные палочковидные структуры, на конце которых располагаются тонкие нити, содержащие D-манноза-чувствительный адгезин Fim H. Последний связывается с маннозилированными гликопротеиновыми рецепторами эпителия мочевыводящих путей, обеспечивая инвазию бактерий и длительное персистирование в мочевыводящих путях. Манноза-чувствительная адгезия носит обратимый характер, и при отсутствии других факторов колонизации бактерии легко удаляются вместе с отторгающейся слизью.
Манноза-резистентные (MR) гемагглютинины обуславливают длительную фиксацию бактерий за счет специфического связывания рецепторов эпителиоцитов. Именно их наличие дает УПИК несомненное преимущество в колонизации слизистой оболочки мочевыводящих путей по сравнению с представителями «банальной» микрофлоры. К группе MR-адгезинов относят P-и S- фимбрии. Р-фимбрии обнаружены на поверхности 90-100% E. coli, выделенных у детей с пиелонефритом. Их наличие определяет способность бактерий прикрепляться к клеткам эпителия верхних мочевых путей и почечных канальцев. Р-фимбрии связываются с гликолепидами эпителия, что приводит к высвобождению церамидов и активирует соответствующую сигнальную систему активации синтеза провоспалительных цитокинов (ИЛ-б и др.) S-фимбрии взаимодействуют с сиалированными углеводами на мембранах эпителия, способствуя колонизации верхних
отделов мочевыводящих путей.
Выделение цитокинов. Непосредственное повреждающее действие проявляет CNF-1 и Ca2+ -зависимый а-гемолизин. CNF-1 имеет генетическое и антигенное родство с а-гемолизином протеев и играет ведущую роль в повреждающем действии на эпителий мочевыводящих путей, индуцируя полимеризацию F-актина в эпителиоцитах. В результате на цитоплазматической мембране образуются складки, что способствует формированию благоприятных условий для развития восходящего не обструктивного пиелонефрита. а-гемолизин реализует свое патогенное действие в трех направлениях: прямое повреждение эпителия, повреждение и\или подавление функциональной активности фагоцитирующих клеток, усиление высвобождения Fe3+ из эритроцитов, необходимого для роста E. адН. Вакуолизирующий токсин Sat из группы сериновых протеазаутотранспортеров SPATE, вызывает дегенерацию и нарушение межклеточных связей в почечном эпителии и переходном эпителии мочевого пузыря. Бактериальный липополисахарид через систему простагландинов вызывает спазм гладкой мускулатуры мочеточников. Развивающаяся «физиологическая» обструкция приводит к формированию рефлюкса мочи. Развитие местной воспалительной реакции. Синтез простагландинов в совокупности с адгезией бактерий и последующим повреждением эпителия способствует развитию местного воспалительного ответа. Существенное значение на этом этапе играет синтез эпителиоцитами цитокинов (ИЛ-6 и ИЛ-8, фактора некроза опухоли и фактора роста тромбоцитов).
Эшерихии способны продуцировать аэробактин, образовывать капсулу (К1 и К2 антигены), изменять антигенный состав поверхности («антигенный шифт»), ингибировать факторы защиты хозяина (антилизоцимный, антикомплементный, антидефен-синовый признаки, продукция Ig A протеаз) и транспортироваться в L-формы [6,8].
Таким образом, современный уровень представлений об уропатогенности кишечной палочки в составе биопленок, открывает перспективы повышения эффективности бактериологической диагностики данной патологии, связанные с комплексным подходом к анализу биологических свойств уроизолятов и их интегральной оценкой.
Литература
1. Бондаренко В.М. Факторы патогенности бактерий и их роль в развитии инфекционного процесса. Журн. Микробиол., 1999, №5, С. 34-39.
2. Гриценко В.А., Дерябин Д.Г., Брудастов ЮА., Бухарин О.В. Механизмы уропатогенности бактерий. Журн. Микробиол., 1998, №6, С. 93-98.
3. Поздеев О.К., Федоров Р.В. Энтеробактерии: руководство для врачей. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. 720 с.
4. Сидоренко С.В. Инфекционный процесс как «диалог» между хозяином и паразитом. http://www.antibiotic.ru
5. Тец В.В., Артеменко Н.К., Заславская Н.В, Тец Г.В. Особенности действия азитромицина на бактериальные биопленки возбудителей пневмоний.// Антибиотики и химиотерапия.- 2007, 52; 6. С. 9-12.
6. Donlan R.M., Costerton J.W. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms.Clin.Microbiol.Rev. 2002: 15. С. 93-167.
7. Бухарин О.В., Гинцбург А.Л., Романова Ю.М., Эль-Регистан Г.И. Механизмы выживания бактерий. М., Медицина,
2005, 367 С.
8. Грузина В. Д. Коммуникативные сигналы бактерий. http://www.antibiotic.ru
9. Маянский А.Н. Патогенетическая микробиология. Н.Новгород: Издательство Нижегородской государственной медицинской академии, 2006. С.18.
THE PECULIARITIES OF BACTERIUM EXISTENCE IN BIOFILM BY THE EXAMPLE OF URINARY PATHOGENIC BACILLUS
T.V. CHESTNOVA, N.V. SERYOGINA Tula State University, Medical Institute
Studying of colon bacillus in the structure of biofilms at urinary infections has been carried out with the aim to examine the mechanisms of urinopathogenicity at infections of urinary tracts of
various localizations.
Key words: biofilm, infection of urogenital system, pathogenic potential.
УДК 612.014.421.4
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ОРГАНИЗМ
М.А. ИВАНОВ*
В работе изложены результаты экспериментальных исследований воздействия импульсов электрического тока с различными параметрами на организм. Исследовали время появления физиологической реакции крыс при воздействии импульсов электрического тока различной формы (прямоугольный импульс, синусоидальный, двухполярный пилообразный, однополярный пилообразный импульс) при одинаковых амплитуде напряжения и длительности. Предложена методика оценки эффективности воздействия электрического тока по критерию минимизации затрачиваемой мощности на формирование импульсов в единицу времени.
Ключевые слова: электрический импульс, ноцицептивная реакция, воздействие электрического тока.
В настоящее время вопросы влияния электрического тока на организм применительно к решению задач электробезопасности детально не изучены. Известные виды воздействия электрического тока на организм, такие как: термическое, электролитическое, биологическое, механическое изучались, в основном, при воздействии на организм электрического тока промышленной частоты. Известные в настоящее время результаты исследований воздействия электрического тока на организм не дают полного ответа на вопрос о зависимости физиологической реакции организма от таких параметров импульса электрического тока, как амплитуда, длительность и форма.
В связи с этим, представляется актуальной задача изучения физиологической реакции организма при действии импульсов основных видов, применяемых в процессе эксплуатации электротехнического оборудования.
Целью исследования — проведение анализа зависимости поведения крысы от формы импульса при заданной амплитуде и длительности.
Материалы и методы исследования. Для проведения исследований смонтирована экспериментальная установка. Выходной сигнал генератора сигналов специальной формы усиливался усилителем до дискретных величин амплитуды напряжения 5; 10; 15; 20; 25 В. Напряжение с выходных зажимов усилителя по двухполюсной схеме подавалось на решетку из стальных электродов короба, выполненного из оргалитового стекла размером 420х210х 180 мм (рис. 1). Влияние электрических импульсов различных параметров на организм.
Рис. 1. Схема лабораторной установки.
В нижней части короба смонтированы стальные электроды диаметром 3 мм каждый, расположенные поперек большей стороны короба, расстояние между электродами - 13 мм. Область 1 отделена от области 2 перегородкой с прямоугольным отверстием размером 80х60 мм.
Исследования проводились на белых крысах-самцах линии Вистар, содержавшихся в стандартных лабораторных условиях, в период времени с 12.00 до 17.00. На металлическую сетку, выполненную из стальных электродов, по двухполюсной схеме подавалось напряжение одной из четырех форм: 1 - прямоугольник, 2 - синусоида, 3 - пилообразный двухполюсный, 4 - пилообразный однополюсный (рис. 2). Параметры импульсов контро-
* Военный учебно^-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая академия Российской Федерации Вооруженных Сил Российской Федерации»
