Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 83703 10.29039/rusjbpc.2023.0637 МОДЕЛИРОВАНИЕ В БИОФИЗИКЕ И БИОИНФОРМАТИКА MODELLING IN BIOPHYCIS AND BIOINFORMATISC МОДЕЛИРОВАНИЕ В БИОФИЗИКЕ И БИОИНФОРМАТИКА INVESTIGAISTION AND MODELING OF LEUKOCYTE RESPONSES IN THE BLOOD TO γ- IRRADIATION USING ENERGY PARAMETERS OF IMMUNE NETWORK CELLS ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИЙ ЛЕЙКОЦИТОВ В КРОВИ НА γ-ОБЛУЧЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КЛЕТОК ИММУННОЙ СЕТИ Морозова Г. И. Morozova G. I. gimorozova@mail.ru Муньос М. М. Muny'os M. M. Иванов А. В. Ivanov A. V. Кулинич Т. М. Kulinich T. M. Романов С. А. Romanov S. A. Российский университет дружбы народов Москва Россия RUDN University Moscow Russian Federation Российский университет дружбы народов Москва Россия RUDN University Moscow Russian Federation Российский научный центр рентгенорадиологии МЗ РФ Москва Россия Russian Scientific Center of Roentgenoradiology, Ministry of Health of Russia Moscow Russian Federation Российский научный центр рентгенорадиологии МЗ РФ Москва Россия Russian Scientific Center of Roentgenoradiology, Ministry of Health of Russia Moscow Russian Federation ООО «ONTEGRA» Москва Россия LLC ONTEGRA Moscow Russian Federation 06 06 2024 06 06 2024 8 4 382 391 01 08 2023 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/83703/view

Биофизический контроль радиационного воздействия на человека в зонах ядерных реакторов, в условиях космического полета, а также при проведении лучевой терапии на сегодня является актуальным. В связи с этим в данной работе решались следующие задачи: 1) исследование реакций лейкоцитов в крови после однократного воздействия γ-излучения 60Со на кровь in vitro; 2) математическое моделирование быстрых иммунных ответов на облучение на основе энергетических показателей клеток в крови. С помощью люминесцентного микроскопа распознавали и исследовали лимфоциты и нейтрофилы в мазках донорской венозной крови, витально окрашенной катионным зондом 4-(n-диметиламинстирил)-1-метилпиридинием (ДСМ). Энергетическую активность клеток (ЭА) в каждой популяции характеризовали суммой трансмембранных потенциалов (ТМП) на внешней и митохондриальной мембранах, и оценивали по интенсивности и цвету флуоресценции ДСМ в митохондриях и ядрах клеток. Доза-зависимые эффекты γ-облучения оценивали на основе данных компьютерного анализа цифровых флуоресцентных изображений клеток. В экспериментах установлено, что изменение ТМП лейкоцитов после γ-облучения крови в дозах 1Гр-5Гр зависит от исходной ЭА клеток. Выявлена S-образная дозовая зависимость для ЭА облученных лимфоцитов. Наибольший эффект деэнергизации клеток обнаружен после облучения крови в дозе 4Гр. Предложена модель Т-зависимых иммунных реакций в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений до и после облучения крови, где концентрации для пяти популяций клеток заменены на флуоресцентные переменные, которые отражают количество активных митохондрий в каждой популяции. Такая модель адекватна для описания быстрой фазы иммунного ответа после одноударного радиоактивного облучения организма.

Biophysical control of radiation exposure to humans in the areas of nuclear reactors, in space flight conditions, as well as during radiation therapy, is relevant today. In this regard, the following tasks were solved in this work: 1) study of the leukocytes reactions in the blood after a single exposure to 60Co γ-radiation on the blood in vitro; 2) mathematical modeling of the fast immune responses using energy indicators of cells. By use of the luminescent microscope, lymphocytes and neutrophils were recognized and examined in donor venous blood smears, vitally stained with a cationic probe 4-(n-dimethylaminostyril)-1-methylpyridinium (DSM). Cell energy activity (EA) in each population was characterized by the sum of transmembrane potentials (TMP) on the outer and mitochondrial membranes, which was assessed by DSM fluorescence intensity and color in cell mitochondria and nuclei. Dose-dependent γ-irradiation effects were evaluated on the basis of digital fluorescent images computer analysis. It was found in the experiments that the change in the TMP of after blood γ - irradiation in doses of 1Gy-5Gy depends on their initial EA. An S-shaped dose dependence was revealed for the irradiated lymphocytes energy activity. The greatest effect of cells energy decrease occurs after irradiation with 4 Gy dose. A model of T-dependent immune responses is proposed in the form a system of nonlinear differential equations before and after blood irradiation, where the concentrations for five cell populations are replaced by their fluorescent variables, which reflect the number of active mitochondria in each population. Such a model is also adequate for describing the rapid phase of the immune response after single-hit radiation exposure of the body.

 γ-облучение крови нейтрофилы лимфоциты мембранный потенциал активность митохондрий флуоресцентный зонд ДСМ энергетические показатели модель иммунитета blood γ-irradiation neutrophils lymphocytes membrane potential mitochondria activity fluorescent probe DSM energy parameters immunity model

Смирнова О.А. Радиация и организм млекопитающих: модельный подход. Москва-Ижевск: 2006, 223 с. Smirnova O.A. Radiation and mammalian organism: model approach. Moscow-Izhevsk: 2006, 223 p. (In Russ.). Тимошевский А.А., Пиголин Ю.И., Гребенюк А.Н. Использование иммунологических показателей периферической крови при проведении судебно-медицинской экспертизы лиц, подвергшихся радиационному воздействию. Судебно-медицинская экспертиза, 2013, № 1, с. 17-20. Timoshevsky A.A., Pigolkin Yu.I., Grebenyuk A.N. The use of immunological characteristics of the peripheral blood for the purpose of forensic medical expertise of the subjects exposed to ionizing radiation. Sudebno-medicinskaya ekspertiza, 2013, no. 1, pp. 17-20 (In Russ.). Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мебранах. М.: Наука, 1972, 252 с. Vladimirov Yu.A., Archakov A.I. Lipid peroxidation in biological membranes. Moscow: Nauka, 1972, 252 p. (In Russ). Иржик Л.И. Гемоглобины и их свойства. М.: Наука, 1975, 239 c. Irzhik L.I. Hemoglobins and their properties. M.: Nauka, 1975, 239 p. (In Russ.). Морозова Г.И., Добрецов Г.Е., Дубуре Р.Р., Дубур Г.Я., Голицын В.М., Владимиров Ю.А. Флуоресценция зонда 4-(n-диметиламиностирил)-1-метилпиридиния в живой клетке. Цитология, 1981, т. 23, № 8, с. 916-923. Morozova G.I., Dobretsov G.E., Dubur R.R., Dubur G.Ya., Golitsyn V.M., Vladimirov Yu.A. Fluorescence of 4-(n-dimethylaminostyryl)-1-methylpyridinium probe in a living cell. Cytology, 1981, vol. 23, no. 8, pp. 916-923 (In Russ.). Морозова Г.И., Онищенко Н.А.¸ Оржеховская И.Г., Коробкова Е. Н., Полосина О.В., Базиева Ф.Х., Баукина О.В. Микрофлуориметрический метод идентификации и оценки физиологического состояния лимфоцитов и нейтрофилов в цельной нативной крови с помощью флуоресцентного зонда-катиона ДСМ: клиника и эксперимент. Гематология и трансфузиология, 1997, т. 42, № 3, с. 43-47. Morozova G.I., Onishchenko N.A., Orzechowska I.G., Korobkova E.N., Polosin V.O., Baziyeva F. H., Baukina O.V. Microfluorimetric identificaition and assessment of the physiological state of lymphocytes and neutrophils in whole native blood by means of fluorescent probe-cation DSM: clinical and experimental data. Gematal. Transfuziol., 1997, vol. 42, no. 3, pp. 43-47 (In Russ.). Добрецов Г.Е., Косников В.В., Морозова Г.И., Лихачева Л.М., Айдыралиев Р.К., Владимиров Ю.А. Измерение градиента концентрации флуоресцентного зонда - катиона ДСМ на цитоплазматической и митохондриальной мембранах. Биологические мембраны, 1986, т. 3, № 3, с. 266-273. Dobretsov G.E., Kosnikov V.V., Morozova G.I., Likhacheva L.M., Aidaraliev R.K., Vladimirov Yu.A. Measurement of the concentration gradient of the fluorescent probe - cation DSM on the cytoplasmic and mitochondrial membranes. Biological membranes, 1986, vol. 3, no. 3, pp. 266 -273 (In Russ.). Розенко Л.Я., Тарнопольская О.В., Шихлярова А.И., Непомнящая Е.М., Крохмаль Ю.Н. Флуоресцентные показатели живых клеток опухоли плоского эпителия до и после химиолучевой терапии у больных плоскоклеточным раком полости рта. Современные проблемы науки и образования, 2013, № 6. Rozenko L.Y., Tarnopolskaya O.V., Shikhlyarova A.I., Nepomnyaschaya E.M., Krokhmal Y.N. Fluorescence indices of living squamous epithelium tumor cells before and after chemoradiotherapy in patients with squamous cell carcinoma of the cavity. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniy, 2013, no. 6 (In Russ). Морозова Г.И., Корнилаева Г.В., Подчерняева Р.Я., Куленич Т.М., Боженко В.К. Исследование влияния КВЧ-излучения миллиметрового диапазона на мембранные структуры в культуре Т-лимфобластоидных клеток с помощью флуоресцентного зонда-катиона ДСМ. Биомедицинская радиоэлектроника, 2014, № 11, с. 31-38. Morozova G.I., Kornilaeva G.V., Podchernyaeva R.Ya., Kulenich T.M., Bozhenko V.K. Study of influence millimeter-wave EHF- irradiation on membrane structures of the T-lymphoblastoid cells culture using a fluorescent probe-cation DSM. Biomedicine Radioengineering, 2014, no. 11, pp. 31-38 (In Russ.). Морозова Г.И., Козлова М.А., Акшинцев А.А. Оценка экологической токсичности водных растворов ксенобиотиков в малых дозах на клетках донорской крови c помощью потенциал-чувствительного флуоресцентного зонда. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2019, т. 4, № 3, с. 428-424. Morozova G.I., Kozlova M.A., Akshintsev A.A. Evaluation of the ecological toxicity of aqueous solutions with low xenobiotics doses on donor blood cells using a potential-seneitive fluorescent probe. Aktualnye voprosy biologicheskoj fiziki i himii, 2019, vol. 4, no. 3, pp. 428-424 (In Russ.). Акшинцев А.А., Морозова Г.И., Козлова М.А., Баренбойм Г.М. Выявление адаптогенного и защитного действия экстрактов из термофильных водорослей на энергетику лейкоцитов в нативной крови по флуоресценции потенциал - чувствительного зонда ДСМ. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2020, т. 5, № 3, с. 536-542. Akshintsev A.A., Morozova G.I., Kozlova M.A., Barenboim G.M. Detection of adaptogenic and protective effect of extracts from thermophilic algae on the energy of leukocytes in native blood by fluorescence potential-sensitive probe DSM. Aktualnye voprosy biologicheskoj fiziki i himii, 2020, vol. 5, no. 3, pp. 536-542 (In Russ.). Морозова Г.И., Полетаев А.И., Борщевская Т.А. Инвертированный электрохимический потенциал на ядерной мембране клеток и его связь с клеточной энергетикой. Сборник научных трудов 2-го съезда биофизиков России. М.: 1999, с. 256-257. Morozova G. I., Poletaev A.I., Borschevskaya T.A. Inverted electrochemical potential on the nuclear membrane of cells and its relationship with cellular energy. Reports of the 2nd Russia biophysicists Congress. M.: 1999, pp. 256-257 (In Russ.). Morozova G.I., Parkhomenko T.V., Klitsenko O.A., Tomson V.V. Stimulating effect of erythropoietin on thy timocyte energetics established in vitro with a potential-sensitive fluorescent probe in the mitochondria. Biochem. Suppl. Series A: Membrane and Cell Biology, 2007, vol. 1, no. 4, pp. 325-330. Morozova G.I., Parkhomenko T.V., Klitsenko O.A., Tomson V.V. Stimulating effect of erythropoietin on thy timocyte energetics established in vitro with a potential-sensitive fluorescent probe in the mitochondria. Biochem. Suppl. Series A: Membrane and Cell Biology, 2007, vol. 1, no. 4, pp. 325-330. Askarova K.Z., Morozova G.I., Anoshin A.A. Modeling the Accumulation Kinetics of Anionic Photo-sensitizers in Tumor Cells with Different Trans-membrane Potentials. J. Mech.Cont.& Math. Sci., Special Issue-1, March, 2019, pp. 483-490. Askarova K.Z., Morozova G.I., Anoshin A.A. Modeling the Accumulation Kinetics of Anionic Photo-sensitizers in Tumor Cells with Different Trans-membrane Potentials. J. Mech.Cont.& Math. Sci., Special Issue-1, March, 2019, pp. 483-490. Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко Л.В. Физические механизмы функционирования биологических мембран. М: МГУ, 1987, 187 с. Tverdislov V.A., Tikhonov A.N., Yakovenko L.V. Physical mechanisms of biological membranes functioning. M: Moscow State University, 1987, 187 p. (In Russ.). Морозова Г.И., Аношин А.А., Добрецов Г.Е., Матвеева Н.К. Структурно-энергетический баланс иммунных клеток и тромбоцитов в нативной крови, определяемый с помощью флуоресцентного зонда ДСМ, как адекватная характеристика состояния организма. Сборник научных трудов VI съезда биофизиков России, Краснодар: Кубанский ГУ, 2019, т. 2, с. 217-218. Morozova G. I., Anoshin A. A., Dobretsov G.E., Matveeva N.K. Structure-energy balance of immune cells and platelets in native blood determined by fluorescent probe DSM as an adequate characteristic of the organism state. Scientific Proceedings Collection of VI Russia Biophysicists Congress, Krasnodar: Kuban State University, 2019, vol. 2, pp. 217-218 (In Russ.). Морозова Г.И., Аношин А.А., Оболонкова А.Н. Моделирование иммунной сети на основе структурно-энергетических параметров клеточных популяций. Труды XVIII международной конференции, Пущино: РАН, МКО, 2011, с. 110. Morozova G.I., Anoshin A.A., Obolonkova A.N. Modeling of immune network on the basis of structural and energetic parameters of cell populations. Proceedings of XVIII International Conference, Pushchino: RAS, ICE, 2011, p. 110 (In Russ.). Бейли И.Н. Статистические методы в биологии. М.: Наука, 1963, 277 с. Bailey I.N. Statistical methods in biology. M.: Science, 1963, 277 p. (In Russ.). Бонд В., Флинднер Т.Б., Аршамбо Д. Радиоционная гибель млекопитающих: Нарушение кинетики клеточных популяций. М.: Атомиздат, 1971, 317 с. Bond W., Flindner T.B., Archambault D. Radiation death of mammals: Disturbance of kinetics of cell populations. M.: Atomizdat, 1971, 317 p. (In Russ.). Петров Р.В. Роль гормонов и медиаторов в функционировании иммунной системы. Вестник АМН СССР, 1980, № 8, c. 3-11. Petrov R.V. Role of hormones and mediators in functioning of immune system. Bulletin of the USSR Medical Sciences Academy, 1980, no. 8, pp. 3-11 (In Russ.). Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М: Наука, 1989, 123 c. Skulachev V. P. Energy of biological membranes. M.: Science, 1989, 123 p. (In Russ.). Математические моделирование в иммунологии и медицине. Под ред. Г.И. Марчука. Новосибирск: Наука, 1982, 110 с. Mathematical modeling in immunology and medicine. Edited by G.I.Marchuk. Novosibirsk: Nauka, 1982, 110 p. (In Russ.). Белых Л.Н. Анализ математических моделей в иммунологии. М.: Наука, 1988, 192 с. Belykh L.N. Analysis of mathematical models in immunology. M.: Nauka, 1988, 192 p. (In Russ.). Шишкин В.И., Янченкова Е.Н. Математическая модель иммунной сети с учётом деления Т-клеток на субпопуляции. Физическая механика, 1998, с. 174-179 Shishkin V.I., Yanchenkova E.N. Mathematical model of immune network taking into account division of T-cells into subpopulations. Physical Mechanics, 1998, pp. 174-179 (In Russ.).