Математична модель процесів регенерації печінки: однорідне наближення
Анотація
У даній статті розглядаються принципи, правила й механізми регуляції біологічних процесів під час розвитку і підтримки / відновлення (регенерації) динамічного гомеостазу органів і тканин організму. Ця проблема є однією з найбільш важливих фундаментальних проблем біології і медицини. Знання про правила і механізмах регенерації печінки організму є основою для розробки нових ефективних лікарських препаратів і вибору раціональних стратегій терапії захворювань печінки. Згідно з поточними уявленнями теоретичної біології, розвиток, поведінка і підтримка динамічного гомеостазу визначається саморегуляцією, яка забезпечується за рахунок виникаючої самоорганізації біологічних процесів під впливом того чи іншого збурення. Автори запропонували гіпотезу, що регуляція процесів підтримки / відновлення динамічного гомеостазу печінки на основі виникаючої самоорганізації відбувається згідно з деякими принципами, критеріями оптимальності, що склалися в ході еволюції організму. Було розроблено узагальнену математичну модель, що явно залежить від керуючих параметрів. Запропонована математична модель процесів регенерації печінки є узагальненням таких відомих моделей популяційної динаміки, як узагальнені рівняння Лотки-Вольтерра, рівняння, Лотки-Вольтерра з запізнілими аргументами, інтегродиференціальних Вольтерра. Під час розробки моделі були зроблені наступні припущення: однорідне наближення, незалежність біологічних процесів, помірний токсичний вплив. Дана модель буде базою для розробки більш складної моделі, яка буде враховувати стратегії регенерації за рахунок стовбурових клітин печінки і клітин Іто. У перспективі передбачається обґрунтувати принципи і критерії оптимальності регуляції процесів регенерації печінки і верифікувати їх у численних експериментах.
Завантаження
Посилання
B. Christ, U. Dahmen, K-H. Herrmann, M. Konig, JR. Reichenbach, T. Ricken, J. Schleicher, L. Ole Schwen, S. Vlaic, N.Waschinsky. Computational Modeling in Liver Surgery. Frontiers in Physiology. - 2017. - Vol. 8. Article 906. - P.1- 26. DOI: 10.3389/fphys.2017.00906
Virtual Liver Network: A major national initiative funded by the German Federal Ministry for Education and Research, 2010- 2015. - http://www.virtual-liver.de/
LiSyM - Liver Systems Medicine: Research network of German centers and institutions, 2016- 2020. - http://www.lisym.org/
D. Cook, B. A. Ogunnaike, R. Vadigepalli. Systems analysis of non-parenchymal cell modulation of liver repair across multiple regeneration models. BMC Systems Biology, - 2015. - Vol. 9:71. - P.1- 24. DOI: 10.1186/s12918-015-0220-9.
Ye. Dayong, Zh. Minjie, V. Athanasios. Computational Modeling in Liver Surgery. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. - 2017. - Vol. 47. No. 3. - P. 441- 462.
M. Hwang, M. Garbey, S. A. Bercali, R. Tran-Son-Tay. Rule-Based Simulation of Multi-Cellular Biological SystemsA Review of Modeling Techniques. Cellular and Molecular Bioengineering. - 2009. - Vol. 2(3). - P. 285- 294.
H. Holzhutter, D. Drasdo, T. Preusser, J. Lippert, A.M. Henney. The virtual liver: a multidisciplinary, multilevel challenge for systems biology. WIREs Syst Biol Med. - 2012. - Vol. 4(3). - P.221- 235.
K. Jungerman. Metabolic zonation of liver parenchyma. Semin Liver Dis. - 1988. - Vol. 8. - P. 329- 341.
K. Jungermann, T. Kietzmann. Oxygen: modulator of metabolic zonation and disease of the liver. Hepatology. - 2000. - Vol. 31. - P. 255- 260.
MR. Alison, S. Islam, S. Lim. Stem cells in liver regeneration, brosis and cancer: the good, the bad and the ugly. J Pathol. - 2009. - Vol. 217(2): - P. 282- 298.
KS. Zaret, M. Grompe. Generation and regeneration of cells of the liver and pancreas. Science. - 2008. - Vol. 322. - P. 1490- 1494.
M. Tanaka, T. Itoh, N. Tanimizu, A. Miyajima. Liver stem/progenitor cells: their characteristics and regulatory mechanisms. J Biochem. - 2011. - Vol. 149. - P. 231- 239.
Y. Miyaoka, A. Miyajima. To divide or not to divide: revisiting liver regeneration. Cell Division. - 2013. - Vol. 8(1):8. - P.1- 12. DOI:10.1186/1747- 1028-8-8.
K. Mahmoodi, B. West, P. Grigolini. Self-organizing complex networks: individual versus global rules. Frontiers in Physiology. - 2017. - Vol. 8. Article 478. - P.1- 11. DOI:10.3389/fphys.2017.00478.
N. W. Watkins and others. 25 years of self-organized criticality: concepts and controversies. Space Science Reviews. - 2016. - Vol. 198(1-4) - P. 3- 44.
J. M. Cushing. Integrodierential Equations and Delay Models in Population Dynamics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 1977. - Vol. 20 - 196 p.
C. Hutchison, D. M. Glover. Cell Cycle Control. Frontiers in molecular biology. - 1995. - Vol. 10. - 304 p.
K. J. Barnum, M. J. O'Connell. Cell Cycle Regulation by Checkpoints. Methods Mol Biol. - 2014. - Vol. 1170. - P. 29- 40.
F. Marongiu et al. Hyperplasia vs Hypertrophy in Tissue Regeneration after Extensive Liver Resection. World Journal of Gastroenterology. - 2017. - Vol. 23(10). - P. 1764- 1770.
S. Fulda, A. M. Gorman, O. Hori, A. Samali. Cellular Stress Responses: Cell Survival and Cell Death. International Journal of Cell Biology. - 2010. - P. 1- 23.
Цитування
Different strategies in the liver regeneration processes. Numerical experiments on the mathematical model
(2020) V. N. Karazin Kharkiv National University. Ser. Mathematics, Applied Mathematics and Mechanics
Crossref
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі. (Attribution-Noncommercial-No Derivative Works licence).
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
