Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Механизмы переносы низкомолекулярных компонентов химуса через кишечный барьер и гомеостаз энтеральной среды

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Механизмы переносы низкомолекулярных компонентов химуса через кишечный барьер и гомеостаз энтеральной среды"

Р Г 6 ОД На правах рукописи

о л , , УДК 612.332.7:577.322

АЗАРОВ ЯКОВ БОРИСОВИЧ

МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОНЕНТОВ ХИМУСА ЧЕРЕЗ КИШЕЧНЫЙ БАРЬЕР И ГОМЕОСТАЗ ЭНТЕРАЛЬНОЙ СРЕДЫ

03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в НИИ Скорой Помощи имени Н.В.Склифосовского

Научные руководители:

Доктор биологических наук, профессор Т.С. Попова, Кандидат физико-математических наук В.А. Васильев.

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор Ф.И. Атауллаханов Доктор медицинских наук, профессор И.А. Морозов

Ведущая организация: Биологический факультет

Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится "_" _1996г. в _

часов на заседании диссертационного совета Д.200.22.01 в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН по адресу 142292 г. Пущино, Московской обл. ИТЭБ РАН.

С диссертациег можно ознакомиться в библиотеке ИТЭБ РАН Автореферат разослан "_"_1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат биологических наук

П.А.Нелипович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность_темы_диссертации обусловлена

необходимостью изучения транспорта различных веществ через сложные гетерогенные мембраны, в частности, слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта в живых системах. Многие аспекты этой проблемы достаточно подробно изучены в рамках физиологии, однако изучение физико-химических механизмов транспорта выходит за рамки этой науки. Актуальность изучения этих проблем обусловлена также задачами конструирования питательных смесей для энтерального питания. Естественно, что для решения этих вопросов необходимы более полные сведения о механизмах, обеспечивающих гомеостаз энтеральной среды и перенос ее компонентов через кишечный барьер. Трудности их получения связаны с тем, что в условиях естественного пищеварения существует множество функциональных подсистем организма, оказывающих влияние на процессы гомеостатирования и всасывания. В условиях in vitro невозможно выделить отдельные подсистемы, не нарушая при этом их функционирования. Поэтому, актуальным является изучение механизмов функционирования таких систем в условиях естественного пищеварения.

Целью данной работы являлось исследование механизмов гомеостатирования энтеральной среды и всасывания ее компонентов, которые реализуются в естественных условиях нормального пищеварения.

В задачи исследования входило: 1. построение математической модели моторно-всасыватёльной функции кишечника; 2. выявление доминирующих физико-химических механизмов, определяющих транспорт низкомолекулярных компонентов через кишечный барьер; 3. оценка возможности регуляции всасывания и гомеостатирования химуса с помощью этих механизмов; 4. исследование влияния факторов внешней среды на механизмы всасывания.

Научная новизна работы. Разработана модель эвакуаторно-всасывательной функции кишки, позволяющая корректно описывать всасывание гидрофильных нутриентов в естественных условиях. Показано, что в естественных условиях транспорт низкомолекулярных компонентов химуса происходит пассивным путем, причем электролиты всасываются преимущественно за счет переноса объема в целом, т.е. конвективного массопереноса, а для

аминокислот и глюкозы существенен также вклад диффузионного потока. Разработана модель транспорта электролитов через слой слизи, использующая представление о слое слизи как о пористой ионообменной мембране. На основе анализа математических моделей и экспериментальных данных показано значение координированной моторно-эвакуатцрной функции желудочно-кишечного тракта в осуществлении деятельности пищеварительно-транспортного ковейера.

Практическая значимость. В работе получены новые сведения о механизмах гомеостатирования состава химуса и всасывания его низкомолекулярных компонентов в условиях естественного пищеварения, дающие более полное представление о функционировании кишечника в норме. Эти данные позволяют по-новому взглянуть на способы конструирования питательных смесей, зондовое введение которых обеспечивало бы оптимальные темпы пополнения организма необходимыми нутриентами при различных патологиях.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: Мембранное пищеварение и всасывание, Юрмала, 1985; 15 Всесоюзный съезд физиологического общества. Кишинев, 1987; Мембраны щеточной каймы. Юрмала, 1990; Фзиология и патология моторной деятельности ЖКТ. Томск, 1992; Первая гастроэнтерологическая неделя. Ст.-П. 1995.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 130 ссылок; объем диссертации составляет 134 страницы и включает 21 рисунок и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе литературных данных анализируются современные представления о способах поддержания гомеостаза химуса и механизмах всасывания низкомолекулярных компонентов химуса в условиях естественного пищеварения, а также сравниваются различные экспериментальные методы, используемые для изучения всасывания.

Исследования последних лет показали, что желудочно-кишечный тракт обеспечивает гомеостаз внутренней среды при

всасывании не только за счет барьерных функций кишечного эпителия, но и за счет поэтапного гомеостатирования энтеральной среды - химуса.

На данный момент существует несколько теорий механизмоп переноса через кишечный барьер. Первая из них, развиваемая школой А.М.Уголева, предполагает, что практически все электролиты и питательные вещества поступают во внутреннюю среду непосредственно через энтероциты кишечной стенки. При этом в большинстве случаев имеет место либо активный транспорт с помощью мембранных переносчиков с затратами энергии, либо вторичный активный транспорт, использующий энергию, запасенную при транспорте других компонентов. Кинетика транспорта практически всех транспортирующихся компонентов имеет характер кривых с насыщением.

Другая теория, развиваемая И.А.Морозовым с сотрудниками, предполагает, что и всасывание, и секреция также происходят через апикальную мембрану энтероцитов, но в виде пиноцитоза и экзоцитоза. Образование везикул связано с активным функционированием апикального сократительного комплекса, а перенос через тело энтероцита происходит вдоль микротубулярных систем энтероцита.

Наконец, третья теория, развиваемая, в частности, в работах J.R.Pappenheimer и других авторов, предполагает пассивный перенос большинства нутриентов через парацеллюлярные пути. Регуляция транспорта осуществляется за счет изменения концентраций нутриентов в полости кишечника и изменения осмотичности химуса. Кроме того, за счет активного транспорта Na+ и глюкозы в межклеточное пространство, достигается градиент осмотического давления между межклеточным пространством и полостью, что обеспечивает транспорт воды вместе с гидрофильными компонентами.

Однако большинство исследований по всасыванию проводилось в экспериментах in vitro и in situ. Результаты, полученные в таких экспериментах, переносить на естественные условия достаточно сложно и не всегда корректно. В экспериментах, проводимых in vitro, невозможно одновременно моделировать моторно-эвакуаторную функцию ЖКТ, кровоснабжение кишечника, соблюдение условий непрерывности ЖКТ и т.д. В то же время известно, что все эти факторы оказывают влияние на всасывание.

Во второй главе описаны используемая в работе методика эксперимента, способы хранения и обработки данных, полученных в эксперименте.

Для комплексного исследования пищеварения и всасывания в условиях, максимально приближенных к естественным, в 1976 году в лаборатории экспериментальной патологии НИИ СП им. Н.В.Склифосовского Ю.М.Гальпериным с сотрудниками была разработана методика такого комплексного эксперимента (рис. 1).

Рис. 1. Схема эксперимента по нормальному пищеварению.

Собакам вживляли четыре фистулы: в двенадцатиперстную кишку, в тощую кишку, соответственно, на 10-15см, 60-65см и 80-85см ниже связки Трейца. Кишечные петли между-1-й и 2-й, а также 3-й и 4-й фистулами, помещали в кожные мостики.

Методика проведения опыта состояла в следующем (рис. 1). 1-ю и 2-ю, а также 3-ю и 4-ю фистулы соединяли наружными анастомозами, создавая байпас, снабженный тройником для забора проб и трубчатым датчиком потокомера. Затем на "ручку чемодана" накладывли мягкий зажим, тем самым перекрывая просвет кишечных петель, расположенных в кожных мостиках. После этого животные съедали предлагаемый рацион. Весь образующийся химус через байпас поступал из двенадцатиперстной кишки в начальный отдел участка тощей кишки, а химус, выходящий из этого участка, - через второй байпас в нижележащие отделы. Опыт заканчивался после того, как все содержимое желудка и двенадцатиперстной кишки поступало в тощую кишку и просвет исследуемого ее участка опорожнялся.

Во всех опытах каждые 15 минут из тройников, включенных в байпас, проводился забор проб химуса,

поступающего в исследуемый участок тонкой кишки и эвакуирующегося из этого участка. Из четырех последовательно взятых проб составляли часовую пробу, в которой сначала измеряли рН, а за тем, высушиванием проб до постоянного веса определяли соотношение воды и сухого остатка. Измерялись также осмотичность, концентрации Na+, К+, Са2+, С1", органического фосфора, общего и небелкового азота, суммарных углеводов и глюкозы отдельно в плотной и жидкой фракциях химуса. Всего проведено 52 эксперимента на 12 собаках. В течение каждого эксперимента биохимическому исследованию подвергалось от 4 до 16 проб содержимого тощей кишки на входе и выходе тестируемого сегмента.

В третьей главе разработана математическая модель эвакуаторно-всасывательной функции тонкой кишки, основывающаяся на предположении о продвижении химуса вдоль кишечной трубки в виде компактного образования (болюса) и слабом перемешивании отдельных болюсов.

Использующаяся в большинстве работ, изучающих механизмы всасывания in vivo, модель транспорта через кишечный барьер имеет вид линейной зависимости интегрального всасывающегся потока от коэффициентов поглощения и диффузионной проницаемости кишечного барьера:

= + V¿hymeJHlo + V, (1),

где Jl - масса i-ro компонента, всосавшаяся за время эксперимента, Jцр - обьемная скорость всасывания воды, щ, fy, y¿ - регрессионные коэффициенты (а - коэффициент поглощения, р -коэффициент проницаемости), которые подлежат определению. (j.chyme определяются, как среднее арифметическое между концентрациями i-ro компонента в жидкой фазе химуса на входе и выходе тестируемого сегмента кишки.

Предположим, что локальное уравнение массопереноса через эпителий для каждого компонента можно записать в виде:

y = acv + p(c-y) (2),

где /- величина всасывающегося потока, в единицу времени через единицу площади в тестируемом сегменте кишечника, с -мгновенная концентрация всасывающегося компонента в химусе, v -мгновенная скорость всасывания растворителя, а, (} -коэффициенты пропорциональности, у - концентрация по другую сторону барьера. Тогда уравнение (1) описывает только случай

полного перемешивания химуса в тестируемом кишечном сегменте и однородного распределения химуса вдоль всего сегмента.

Для определения соотношений между конвективным и диффузионным потоками нами предложен альтернативный подход. Модель основана на предположениях, что химус поступает в исследуемый сегмент компактными порциями, концентрация веществ в поступающих порциях, в среднем, одинакова за время одного исследования, а перемешиванием последовательно поступающих порций друг с другом внутри сегмента можно пренебречь. Тогда можно считать, что всасывание идет целиком из суммарного обьема, поступившего на вход сегмента в течение времени проведения исследования. Дополняя уравнение (2) уравнениями

Лтр

й1 -ЧВЮ + ОскУ (3),

-ау = Б(у) УЯ20Л (4),

описывающими сохранение массы транспортирующихся компонентов, включая растворитель и преполагая, что площадь всасывания является боковой поверхностью цилиндра объема V и эффективного радиуса г0, получаем замкнутую систему, интегрирование которой дает искомую нелинейную зависимость интегрального всасывающегося потока от коэффициентов переноса.

Здесь т-р - масса всасывающегося компонента, -

площадь контакта обьема химуса с поверхностью кишки, ~

удельная плотность всасывающегося потока обьема, ас], плотность потока вещества за счет химической реакции (скорсть химической реакции), определяемая только для небелкового азота и глюкозы.

Отметим, что в зависимость потока от коэффициентов переноса, коэффициент диффузионной проницаемости Р входит в комплексе с эффективным радиусом кишки и . временем экспозиции: р=2Тр/г0. В рамках описываемого эксперимента невозможно идентифицировать эти параметры по отдельности без дополнительных преположений. Однако, соотношение между диффузионным и конвективным потоками в начальной точке тестируемого кишечного сегмента тем не менее можно определить:

]сопуес1 ___

где (3 - эффективный коэффициент проницаемости, определяемый из модели, У0 и Ух -объемы химуса, соответственно на входе и выходе кишечного сегмента, с - концентрация всасывающегося компонента на входе.

Численный анализ показал, что полученная модель является устойчивой по отошению к ошибке эксперимента. Относительная ошибка аппроксимации экспериментальных данных нигде не превышала 20%, оставаясь, в среднем, порядка 10%-12%. Квадрат множественного коэффициента корреляции для всех выборок был более 0.93. Сравнение моделей показало, что нелинейная, болюсная модель практически на всех исследуемых экспериментальных выборках имеет относительную ошибку в 3-4 раза меньшую, чем альтернативная линейная модель (1). Это позволяет сделать вывод о корректности применения болюсной модели к данным, полученным в эксперименте по нормальному пищеварению.

В четвертой главе приводятся результаты анализа экспериментальных данных с точки зрения зависимости гомеостатирования этеральной среды и интенсивности всасывания от типа рациона и времени с начала активного пищеварения.

В процессе эксперимента использовалось несколько стандартных рационов: 1. - Общий смешанный; 2. - Усиленный смешанный (нагрузочный); 3.- Сухоедение; 4. - Безуглеводный (белковый); 5. - Безуглеводный с солевой нагрузкой; 6.-Безбелковый (углеводный). Всего было проведено 52 опыта, на 12 животных содержащих, в среднем, по 6 исследований (часов) каждое.

На рис. 2 приведены величины отношений всосавшихся потоков к массе, поступившей на вход. Доля всосавшегося вещества варьируется в значительно меньшем диапазоне, по сравнению с абсолютными величинами.. Отметим, что для сбалансированных рационов доля всосавшегося компонента относительно одинакова для всех исследуемых компонентов. Правда, для нагрузочного и безуглеводного (белкового) рационов она несколько выше, чем для общего сбалансированного рациона. Общий уровень всасывания колеблется, в среднем, от 70% до 90%.

Для трех других рационов доля всосавшегося вещества, во-первых, для некоторых компонентов меньше, чем при сбалансированных рационах, а, во-вторых, более существенно различается для различных компонентов.

Рис. 2. Доля всосавшегося вещества по отношению к массе поступившей на вход изолированной петли.

Таким образом, для несбалансированных рационов заметно снижение доли всосавшихся веществ и отсутствие пропорциональности во всасывании между компонентами. Такие изменения можно отнести к продолжающемуся процессу гомеостатирования, более интенсивному для несбалансированных рационов. То же самое можно сказать и об относительном изменении объема при всасывании по отношению к поступившему объему. То есть, в среднем, доля всосавшегося объема зависит от рациона также, как и для всосавшихся компонентов химуса.

Зависимость величины транспортирующегося через кишечный барьер потока компонентов от потока воды во внутреннюю среду имеет выраженный линейный характер. Коэффициент корреляции варьируется в диапазоне 0.89-0.97 для различных компонентов химуса энтеральной среды. Регрессионные кривые пересекают ось У вблизи нуля. Например, для смешанного рациона экстраполяция величины потока Ыа+ к нулевому потоку воды дает значение 0.32мМоль/час при среднем значении 13.38±1.03, а для глюкозы ^((Тнго^^ОЛмМоль/час при среднем значении 14.42+1.5, что указывает на малую роль диффузионного и активного транспорта при всасывании.

Нелинейный регрессионный анализ, проведенный на основе болюсной модели эвакуаторно-всасывательной функции, показал,

что в среднем, по каждому рациону, конвективный массоперенос играет существенную роль для всех компонентов (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение конвективного и диффузионного потоков для различных рационов. По оси У - логарифмическая шкала.

Для сбалансированных рационов практически для всех компонентов, кроме аминокислот и глюкозы, конвективный массоперенос значительно превышает диффузионный. Для аминокислот и глюкозы наблюдается некоторое преобладание диффузионного переноса. Для несбалансированных рационов соотношение между конвективным и диффузионным потоками варьируется в более широких пределах за счет продолжающегося процесса гомеостатирования и наличия потоков, направленных в просвет кишечной трубки из внутренней среды.

Отметим, что в большинстве случаев, когда диффузионный перенос преобладает, коэффициенты диффузионной проницаемости недостоверно отличаются от нуля. Правда это не касается транспорта аминокислот, для которых диффузионный коэффициент достоверно отличается от нуля для всех рационов кроме нагрузочного и углеводного. Коэффициент поглощения а практически для всех транспортирующихся компонентов, для всех рационов порядка единицы. Тем самым, в конвективном потоке отсутствует сепарация при транспорте через кишечный барьер. Исключением является безбелковый (углеводный) рацион, для которого коэффициент поглощения достоверно отличается от единицы для положительно заряженных ионов, что свидетельствует об изменении коэффициента проницаемости кишечного барьера в сторону уменьшения.

Критерием, характеризующим одновременно эвакуаторную и всасывательную функцию кишечника, является коэффициент эвакуации, определяющийся, как 1п{Уе п/^е*)> и пропорциональный плотности всасывающегося потока воды и времени экспозиции (ур. 4). Ни величина всасывающегося потока воды, ни коэффициент эвакуации статистически не зависят от концентрационного состава химуса в диапазоне концентраций, определяемых естественным пищеварением. В то же время, как абсолютные величины, так и доли всасывающихся веществ достоверно различаются для сбалансированных и несбалансированных рационов. Анализ данных показал, что, в первую очередь, изменение типа рациона сказывается на величине входного объема и коэффициенте эвакуации, которыми, в основном, и определяются потоки низкомолекулярных компонентов химуса во внутреннюю среду.

Исследование динамики изменения доли всосавшихся компонентов химуса в течение активного пищеварения для всех рационов, показало, что для каждого типа рациона кривые изменения доли транспортирующегося вещества имеют достоверный минимум в районе 2-го - 5-го часов пищеварения. Для каждого рациона этот минимум один и тот же для всех изучаемых компонентов. Положение минимума зависит от типа рациона. На рис. 4 приведен график динамики массовой доли всасывающихся веществ для смешанного сбалансированного рациона. Отметим, что не только зависимость от времени доли всосавшихся веществ имеет характерный минимум, но и динамика величины почасового входного объема, хотя минимум в этом случае менее выражен.

Тем самым, как процесс всасывания, так и эвакуация химуса во время естественного пищеварения имеют две стадии, каждая из которых характеризуется нарастанием доли всасывающихся веществ и объема эвакуируемой пищи, а за тем, уменьшением. Природа такой двухстадийности не может быть выяснена в рамках описываемого эксперимента, однако, можно предположить, что она связана с влиянием процесса пищеварения и покомпонентного состава пищи на моторику ЖКТ. Такая зависимость может приводить к изменениям в механической периодической деятельности ЖКТ. При этом происходит изменение соотношений между длительностью фаз мигрирующего миоэлектрического комплекса, что влечет за собой периодическое изменение всасывательной способности кишечника.

—№ — -к —к—са —К -а —А -р

- О -м + а —"—ЬЕО ---—УегУУйй—* — Б/ао-1

Время (час)

Рис. 4. Динамика изменения входного объема, коэффициента эвакуации и доли всосавшегося вещества для общего рациона.

Анализ динамики коэффициентов переноса для смешанного рациона показал, что в течение всего активного пищеварения, коэффициент поглощения в большинстве случаев достоверно не отличается от единицы для всех компонентов (табл. 1).

Практически в течении всего периода активного пищеварения конвективный массоперенос преобладает над диффузионным (рис.5), что при близости коэффициента поглощения к единице означает отсутствие сепарации при транспорте через кишечный барьер.

Заметим, что хотя на кривых изменения соотношения конвективного и диффузионного потоков для некоторых элементов также есть минимум в районе третьего - четвертого часов, однако, статистически достоверных различий между различными часами нет. Это косвенным образом указывает на. отсутствие значительных изменений в проницаемости кишечного барьера в течение активного пищеварения.

Таблица 1. Коэффициент поглощения для различных моментов времени для стандартного рациона. (Указано стандартное асимптотическое отклонение). Звездочкой помечены коэффициенты, достоверно отличающиеся от единицы (уровень значимости 95%). п - число реализаций.

1 час 2 час 3 час 4 час 5 час 6 час

Ма 0.93±.07 0.961.03 0.911.07 0.981.07 0.961.03 0.871.02*

п=14 п=13 п=17 п=16 п=15 п=9

1С 1.05+0.06 1.161.02 1.081.13 0.931.02 0.9710.02 1.021.05

п=16 * п=13 п=17 * п—16 п=15 п=9

Са 1.210.11 1.0610.1 0.951.17 2.010.97 0.1310.9 0.6210.29

п = 14 п=12 п=15 п=15 п=12 п=7

С1 1.2610.14 1.121.08 1.371.15 1.121.04 0.8710.09 1.4910.13

п=14 п=13 п=15 * п=14 п=13 * п=11

Р 0.09+1.4 0.910.17 1.010.3 1.110.15 1.061.03* 1.421.08*

п=7 п=7 п=8 п=8 п=7 п=5

N 0.9610.16 1.021.07 1.731.1* 0.991.13 0.9510.2 0.5810.27

п=11 п=11 п= 11 п=12 п=14 п=9

С1 1.0410.12 1.110.2 1.3810.2 1.0410.3 1.341.13*

п=13 п=12 п=8 п=10 п=8 п=0

—№ —а—к —А—Са —К-С1 —ж- р - • - N —И— а

Время (час)

Рис. 5. Зависимость отношения конвективного потока к диффузионному от времени с начала приема пищи. (По оси ординат логарифмическая шкала.)

Вычисленные в результате регрессионного анализа эффективные коэффициенты проницаемости в большинстве

случаев статистически неотличимы от нуля (уровень значимости -0.95). В тех же случаях, когда они достоверно отличаются от нуля, динамика изменения во времени эффективного коэффициента диффузионной проницаемости подобна динамике изменения коэффициента эвакуации. Поскольку и та, и другая величина пропорциональны времени экспозиции, можно предположить, что в условиях естественного пищеварения величина плотности всасывающегося потока меняется в меньшей степени, чем время экспозиции.

В пятой главе анализируются возможные физико-химические механизмы, которые могут обеспечить конвективный массоперенос и транспорт воды в естественных условиях. На основе качественного анализа разработанной модели транспорта электролитов и растворителя через слой слизи делается вывод о возможной роли гидродинамического давления, создаваемого за счет сократительной активности кишечника, для всасывания воды. Показана достаточность описанных механизмов для гомеостатирования химуса в тонкой кишке.

Для анализа механизмов транспорта низкомолекулярных компонентов химуса через кишечный барьер была разработана математическая модель, описывающая транспорт электролитов через слой слизистых наложений, являющийся одним из основных барьеров при всасывании. В модели предполагается, что слой слизи является пористой ионобменной мембраной, содержащей диссоциирующие ионогенные СОО" группы, которые могут образовывать комплексы с положительно заряженными группами. При построении математической модели транспорта, мембрана предполагается состоящей из параллельных цилиндрических ячеек, ось которых совпадает с осью цилиндрических пор, перпендикулярных поверхности мембраны. Эффективный диаметр ячейки зависит от концентрации пор на единицу поверхности. Предполагается, что ионы могут диффундировать в стенку поры.

Для описания транспорта внутри поры использовались стационарное уравнение Навье-Стокса, в которое в качестве объемных сил включались градиент гидродинамического давления и напряженность электрического поля, действующая на нескомпенсированный объемный заряд, электродиффузионные уравнения Нернста-Планка и уравнение Пуассона. В предположении малости отношения радиуса ячейки к ее длине, в нулевом приближении по этому малому параметру, удалось осреднить исходные уравнения по поперечному сечению ячейки и

получить систему одномерных относительно измеряемых величин:

стационарных уравнений

(0)

'д

'"Г, (оо,У0)

йх йх

\

-Рее?0'*

йх йх Kf ' йх

Ои)ге'г^0>йг +уг©8 Л ге'^йг

К"!- - —

л I - п «О

V О

Г - Г

Во 6 4

^ 2 ^^О)^)^

(6)

¿0,>—Лт

' 8Д02 у к/ л

(0)

(7)

«О о Е,Ь2 о Л0 о

(8)

о

1

J

Уравнение (6) описывает стационарный транспорт электролитов через пористую мембрану, а уравнение (7) описывает транспорт растворителя. Уравнения дополняются условием на электрический ток в системе и условием электронейтральности в среднем по поперечному сечению ячейки:

В уравнения входят коэффициенты, зависящие от распределения электрического поля по радиусу ячейки, описываемого безразмерным уравнением Пуассона:

11

г дгг дг

= г<г0 (10)

'(11) у=1 1 + У1Ч е К5)

1гдут/д1\ /сг\ (12)

1 /■= 1—0 'г=1 + 0

[У/. г0<г<й

Уо\г=]_0-Уо\г=]+0

В уравнении приняты следующие обозначения для полного давления и распределения концентраций по радиусу ячейки (у -доля объема, доступного для ионов в стенке поры, го - радиус поры, И - радиус ячейки):

По«)-

\ /=] у

С помощью метода сращиваемых асимптотических разложений удалось проанализировать в нулевом приближении по малому параметру решение исходной системы в окрестности границ мембраны. Показано, что. в нулевом приближении, решения вне мембраны и внутри мембраны могут быть сшиты с помощью условий равновесия.

Качественный анализ уравнения (7) при условии малости отношения характерной дебаевской длины к радиусу поры показал, что основной движущей силой при транспорте растворителя может являться только градиент гидродинамического давления. Диапазон изменения градиента давления между капиллярной системой кишечной стенки и полостью кишки в естественных условиях достаточен как для обеспечения всасывания необходимых объемов воды, так и для секреции в энтеральную среду при необходимости продолжения процессов гомеостатирования.

В заключении • обсуждаются полученные результаты. Проведение эксперимента в условиях, адекватных естественному пищеварению, позволило получить данные о соотношении между различными способами транспорта через кишечный барьер в естественных условиях. Использование математической модели, корректно описывающей эвакуацию кишечного содержимого в условиях нормального пищеварения, позволяет увязать моторно-эвакуаторную функцию с процессами гомеостатирования кишечного содержимого и переноса его компонентов во

внутреннюю среду организма и выяснить удельный вес каждого из уже известных механизмов транспорта. Высокая предсказательная способность предложенной эвакуаторно-всасывательной модели позволяет утверждать, что активный транспорт через кишечный барьер не может играть существенной роли во всасывании низкомолекулярных гидрофильных компонентов химуса в условиях нормального пищеварения. Более того, для электролитов и органического фосфора основным механизмом переноса через кишечный барьер является конвективный массоперенос, интенсивность которого и направленность регулируются моторно-эвакуаторной функцией кишечника, то есть такими параметрами, как время экспозиции, величина давления в полости и величина объема эвакуируемой пищи.

ВЫВОДЫ

1. При сравнении двух альтернативных моделей эвакуаторно-всасывательной функции тонкой кишки, одна из которых предполагает полное перемешивание и распределение химуса вдоль всей кишечной трубки, а другая предполагает перемещение химуса в виде компактных неперемешиваемых болюсов, показано, что в условиях естественного пищеварения наиболее адекватной является болюсная модель эвакуаторно-всасывательной функции.

2. Адаптация к типу пищи в тонкой кишке происходит за счет регуляции величины поступающего объема и времени экспозиции в кишечнике.

3. В условиях естественного пищеварения всасывание электролитов и органического фосфора осуществляется в основном за счет конвективного массопереноса, а для аминокислот и глюкозы существенным является также диффузионный массоперенос.

4. Всасывание воды в тонкой кишке определяется, в первую очередь, моторно-эвакуаторной функцией и в условиях естественного пищеварения практически не зависит от состава химуса.

5. Гомеостатирование в тонкой кишке осуществляется за счет конвективного и диффузионного массопереноса, корректирующего покомпонентный состав химуса и суммарную массу всасывающегося вещества.

6. Обнаружен феномен двухстадийности процесса активного пищеварения, длительность фаз которого зависит от типа рациона.

- СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Азаров Я.Б., Гальперин Ю.М., Иванова Т.З. Изменение рН и осмотичности химуса в ходе естественного пищеварения. Препринт, Пущино, 1984, 16с.

2. Азаров Я.Б., Лазарев П.И. Исследование модели транспорта электролитов в слое слизи тонкой кишки. Труды 3-го всесоюзного семинара "Мембранное пищеварение и всасывание." Юрмала, 1985, 7-9.

3. Азаров Я.Б., Лазарев П.И., Численное исследование значений напряженности электрического поля в слое слизи, в сб. Математические и вычислительные методы в биологии. Пущино, 1985,114-116.

4. Гальперин Ю.М., Симонов М.Я., Азаров Я.Б. Влияние гомеостатирования состава химуса на всасывание его компонентов в условиях естественного пищеварения. Физиол. Ж. СССР, 1985, 71(5), 631-645.

5. Азаров Я.В., Денисова Е.А., Лазарев П.И., Матыс Ю,В., Погорелов А.Г., Рассохина Г.В. Транспортные и защитные функции слоя слизи тонкой кишки. Труды 15 Всесоюзного съезда физиологического общества. Кишинев, 1987, 1, 218-219..

6. Азаров Я.Б., Лазарев П.И., Модель транспорта электролитов в слое слизи. 1. Численное моделирование при пространственно однородной плотности диссоциирующих групп. Деп. ВИНИТИ, 1987, N5469-687, 52с.

7. Азаров Я.Б., Лазарев П.И., Модель транспорта электролитов в слое слизи. 2. Случай пространственно неоднородного распределения диссоциирующих групп и их комплексообразования с ионами металлов. Деп. ВИНИТИ, 1987, Ы8862-В87, 31с.

8. Азаров Я.Б. Анализ механизмов транспорта через слой слизи тонкой кишки. Труды 4-го всесоюзного семинара "Мембраны щеточной каймы". Юрмала, 1990, 45-47.

9. Азаров Я.Б. Модель транспорта электролитов через пористый слой гликопротеинов тонкой кишки. В сб.: Массоперенос через синтетические и биологические мембраны, ред.: Буравцев В.Н., Денисов Г.А., Старов В.М.,.Пущино, 1991, 89-99.

10. Нотова О.Л., Азаров Я.Б., Качалова Ю.Г., Васильев В.А., Сорокин А.Н. Изучение распостранения волн сокращения интралюминальным импедансографическим методом. В сб.:

Физиология пищеварения и всасывания. Краснодар, 1990, 202203.

11. Нотова O.JL, Тройская Н.С., Азаров Я.Б., Васильев В.А. 1п vivo исследование влияния моторной деятельности на электрическую проводимость кишечного барьера. Симпозиум: Фзиология и патология моторной деятельности ЖКТ. Томск, 1992, 203-205.

12. Азаров Я.Б. Механизм всасывания низкомолекулярных компонентов химуса in vivo. Материалы первой гастроэнтерологической недели. Ст.-П. 1995. В: Рос. Ж. Гастроэнтерол. Гепат. Колопрокт. 1995, 5(3), 4.

13. Попова Т.С., Баклыкова Н.М., Шрамко Л.У., Азаров Я.Б., Навашин Е.В., Илюхина Е.В., Тамазашвили Т.Ш. Теоретические основы энтерального питания при хирургической патологии органов брюшной полости. Рос. Ж. Гастроэнтерол. Гепат. Колопрокт. 1995, 5(4), 39-47.