Международный коллектив исследователей-биофизиков под руководством профессоров МГУ построил математические модели свёртывания крови при дефицитах различных факторов свёртываемости и проанализировал, как растет сгусток в эксперименте. Оказалось, что нехватка белков системы свёртывания может быть скомпенсирована их пространственным распределением в процессе заделки раны. Чтобы система совсем перестала работать, уровень факторов свёртываемости крови должен быть понижен в 50-100 раз: это наблюдение врачи знали из практики давно, но механизмы не были ясны. Результаты работы опубликованы в Biophysical Journal.

Система свёртывания крови устроена довольно непросто: при растяжении или повреждении стенки сосудов выделяют ряд молекул, которые служат сигналом неполадок. В ответ на эти сигналы запускается сложный каскад биохимических реакций, в результате которого в крови появляется фермент тромбин, который далее взаимодействует с одним из белков крови, фибриногеном. В результате этого взаимодействия фибриноген полимеризуется и превращается в эластичный материал фибрин, и фибриновый сгусток затыкает брешь в стенке сосуда на начальных этапах свёртывания. Далее в эту реакцию подключаются и другие механизмы, которые оказывают гемостатическое действие и вовлекают в тромбоциты — специальные клетки крови, ответственные за образование временных пробок на месте повреждений сосудов. Затем стенка сосуда восстанавливается, а временная пробка рассасывается.

При нарушении сложной сигнальной системы инициации свёртывания крови возникают различные патологии, самая известная из которых — гемофилия. Причины этих патологий могут быть разными: у одних нарушения свёртывания крови обусловлены генетически (как в случае с гемофилией), у других они возникают в результате аутоиммунных заболеваний, а у третьих — из-за проблем с печенью. Однако нарушения свёртывания у одних пациентов приводит к кровотечениям, а у других — нет. «Мы не понимаем, почему у одних кровотечения есть, а у других нет. Один пациент при 1% уровне белка от нормы чувствует себя неплохо и может обойтись без терапии, а другой страдает от кровотечений при уровне 10%. Система свёртывания сложная, и просто уровень белка мало что говорит», — рассказывает профессор кафедры медицинской физики МГУ Михаил Пантелеев.

Команда учёных-биофизиков под руководством профессоров физического факультета МГУ Фазли Атауллаханова и Михаила Пантелеева решила выяснить, почему при определенных уровнях белков система начинает плохо работать, и понять, какие тест-системы могут это надежно детектировать. Чтобы исследовать чувствительность системы свёртывания, учёные поставили эксперимент с плазмой крови in-vitro. В специальную конструкцию, заполненную плазмой крови, учёные добавляли тромбопластин (он же тканевый фактор) — один из основных факторов свёртываемости, запускающих всю систему, — и по-разному распределяли его в пространстве. Либо этот фактор был распределён в равномерное концентрации по всей плазме (гомогенная модель), либо такое же его количество было локализовано на стенке конструкции (пространственно гетерогенная модель). В обеих моделях образовывались фибриновые сгустки, и концентрация тромбина в пространстве изменялась. Все изменения в системе учёные записывали на видео и потом на основе экспериментальных данных построили математическую модель процесса.

Для экспериментов учёные брали кровь как здоровых людей, так и пациентов с нарушениями, у которых наблюдали дефицит различных факторов крови. Оказалось, что скорость образования фибринового сгустка линейно коррелирует с концентрацией фермента тромбина на его переднем, растущем конце, но не с максимальной амплитудой волны тромбина. Начальные стадии образования фибринового сгустка у пациентов без патологий и с недостатком факторов свёртывания отличались слабо, однако дальнейшее его разрастание образование пробки было затруднено в плазме пациентов с дефицитами факторов FV, FVII, FX, FVIII и FIX. Пространственно гетерогенная модель оказалась более эффективной (и более соответствующей клинической картине), так как локальная концентрация тромбопластина (TF) превышала необходимый порог активации системы свёртывания и запускала её, а недостаток различных факторов свёртываемости может быть скомпенсирован их пространственным распределением.

«На самом деле этот уровень, при котором начинаются клинически значимые кровотечения, — очень низкий. У человека должен упасть уровень белка в 50-100 раз, чтобы начались кровотечения. Что делает систему свертывания такой надежной? Отсюда вытекает вторая задача, фундаментальная. Мы стремимся понять структурные основы биологических систем, их устойчивости и надежности. Это может и помочь в их лечении, и в создании новых биотехнологий, да и за пределами биологии может оказаться полезным. Представляете что было бы (очень упрощенная аналогия, но все же!), если бы наши машины или иные системы работали, если их на 95% сломать, и отказывали бы только при 99% поломке?» — поясняет Михаил Пантелеев.

Исследование проходило на базе НМИЦ детской гематологии имени Дмитрия Рогачева под руководством профессоров физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. В работе также принимали участие сотрудники Центра теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН, Христианского медицинского колледжа-больницы в Веллоре (Индия) и Московского физико-технического института.