Регуляция процесса пищеварения основные механизмы и их компьютерное моделирование

С.А. Поленов, В.Б. Троицкая, Е.А. Вершинина
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург

 
“The complexity of biological systems, and the vast amount of information now available at the level of genes, proteins, cells, tissues, and organs, requires the development of mathematical models that can define the relationship between structure and function at all levels of biological organization.”
Peter J. Hunter
Процесс пищеварения, заключающийся, как известно, в гидролизе пищевых веществ по ходу желудочно-кишечного тракта, всасывании продуктов гидролиза, в основном в форме мономеров, из кишечника в кровь и лимфу и транспортировке их к местам депонирования и утилизации, обеспечивается рядом функций (секреторной, моторной ферментативной, и др.), а также их координацией во времени и пространстве с помощью многообразных центральных и местных механизмов регуляции. Анализ известных в настоящее время данных показывает, что при описании регуляции процесса пищеварения должны учитываться несколько десятков взаимодействующих факторов и несколько сотен существенных связей между ними.

Систематизировать такое количество экспериментальной информации без привлечения математического аппарата невозможно. Поэтому задача данной работы заключалась в сборе и анализе базы экспериментальных данных и на их основе построении математической модели, хотя бы качественно описывающей процесс регуляции пищеварения, а также разработке программы для компьютерной реализации этой модели. Создание такой модели имеет очевидный приоритетный характер, поскольку успешных попыток подобного рода в научных публикациях не представлено.
Уместно здесь будет отметить, что в настоящее время в рамках Международного Союза физиологических наук интенсивно разрабатывается международная программа под названием ”Physiome”, основной задачей которой является компьютерное моделирование физиологических процессов на основе анализа базы данных по результатам конкретных экспериментальных исследований [11, 16, 17].

Существенным препятствием в этом является подчас полное отсутствие определённой информации по кинетике и динамике систем, поведению отдельных факторов, которые были бы твёрдо установлены в эксперименте и могли бы использоваться для разработки математической модели. С другой стороны, разработка таких моделей как раз и рассматривается как ключевое звено в предсказании неизвестных пока ещё событий и факторов, а также поведения системы в новых условиях, действия новых лекарственных препаратов, нарушений деятельности системы при моделировании патологических ситуаций без проведения обширных, дорогостоящих и времязатратных экспериментальных исследований.

В процессе работы над созданием модели был проведен анализ результатов более 1200 источников оригинальных экспериментальных исследований, выполненных преимущественно на собаках, поскольку, с одной стороны, именно на этом виде лабораторных животных разнообразные аспекты регуляции пищеварения изучены наиболее подробно, а с другой стороны, известны видовые различия регуляции пищеварения. Список рассмотренных публикаций представлен в Интернете по адресу: http://www.infran.ru/public/BIBL_VB.html.

При разработке модели на данном этапе исследований были учтены порядка 70-ти взаимодействующих факторов, между которыми в настоящее время надежно установлено существование более 400 связей. Эти сведения представлены детально в нижеследующих таблицах и рисунках. При разработке модели учитывался только характер влияния (возбуждающий или тормозный). Систему пищеварения можно рассматривать как совокупность двух подсистем, обеспечивающих преобразование пищи. Первая из них - управляющая подсистема - участвует в регуляции процесса пищеварения (табл. 1) и включает в себя парасимпатические и симпатические нервы (их медиаторы - ацетилхолин и норадреналин, соответственно), а также клеточные структуры, продуцирующие гормоны.

Таблица 1. Элементы управляющей подсистемы






1

парасимпатическая нервная система (ацетилхолин)


2

симпатическиая нервная система (норадреналин)


3

гистамин


4

пептид, высвобождающий гастрин


5

соматостатин фундальный


6

гастрин


7

соматостатин антральный


8

бульбогастрон


9

урогастрон


10

секретин


11

гастроингибирующий полипептид


12

холецистокинин


13

инсулин


14

глюкагон панкреатический


15

соматостатин панкреатический


16

панкреатический полипептид


17

вазоактивный интестинальный полипептид


18

мотилин


19

серотонин


20

субстанция П


21

нейротензин


22

соматостатин кишечный


23

полипептид тирозин-тирозин


24

энтероглюкагон

Вторая подсистема - исполнительная (табл.2) - принимает непосредственное участие в процессах, протекающих в полости желудочно-кишечного тракта, включая процессы депонирования.
Таблица 2 лементы исполнительной подсистемы







Структуры, секретирующие или продуцирующие:


1

соляную кислоту


2

пепсин(огены)


3

бикарбонаты Бруннеровых желез


4

бикарбонаты двенадцатиперстной кишки


5

бикарбонаты поджелудого сока


6

секреция желчи (выход в 12-п. к.)


7

энтерокиназу


8

трипсиноген


9

протеолитические ферменты поджелудочного сока


10

пептидазу


11

дипептидазу


12

липазу


13

моноглицеридлипазу


14

a-амилазу


15

олигосахаридазу


16

дисахаридазу


17

электролиты в кишке


18

Са++


Структуры, обеспечивающие:


19

растяжение желудка


20

эвакуацию из желудка


21

моторику кишки


22

всасывание


23

   депонирование
Объектом управления в этой схеме являются основные компоненты пищи - белки, жиры и углеводы, а также продукты их частичного и полного гидролиза, находящиеся в желудке и тонкой кишке, либо поступившие в кровь, лимфу или депо.

В виду сложности графического предоставления материала полный текст статьи в формате Microsoft Word можно получить по этой ссылке>>>>