Основные методы моделирования болезней и патологических процессов

Моделирование патологических процессов

Патологическая физиология — это наука о причинах возникновения, механизмах развития и исходах патологических процессов, основным методом которой является эксперимент на животных. Другими словами, патологическая физиология — это экспериментальная медицина.

Патофизиология изучает причины и механизмы развития болезней человека, занимая, таким образом, пограничное положение между теорией и клиникой.

Патологическая физиология изучает патогенез, то есть механизмы развития заболевания, и саногеиез, то есть механизмы защиты от повреждающего агента, направленные на восстановление нарушенной этим агентом саморегуляции организма. Саногеиез и патогенез представляют собой две стороны одного процесса и находятся в тесном единстве, взаимно переходя друг в друга. В основе этого перехода лежит закон диалектического единства и борьбы противоположностей.

Патологическая физиология исследует болезнь в целом, ее отдельные стадии, механизмы выздоровления, соотношение социальных и биологических факторов в болезни и намечает методы ее лечения.

В патофизиологию как учебную дисциплину входят 3 основных раздела:

• 1. Нозология (от греч. nosos — болезни и logos — учение) — учение о сущности болезни, формирующее основные понятия и категории патологии, включает общую этиологию (учение о причинах и условиях возникновения болезней) и общий патогенез (учение о механизмах возникновения, развития и исхода болезней, а также о механизмах устойчивости организма к действию патогенных факторов).
• 2. Общая патофизиология.
• 3. Патофизиология органов и систем (частная патофизиология).

Общая патофизиология изучает типовые патологические процессы, к которым относятся расстройства местного кровообращения, воспаление, наиболее общие нарушения обмена веществ, аллергия и опухоли. Типовыми эти патологические процессы называются потому, что любое заболевание представляет собой либо один из этих процессов, либо их различные комбинации. Частная патологическая физиология изучает те же вопросы, но уже применительно к конкретным заболеваниям органов и систем.

Патологическая физиология решает 6 задач:

• 1) изучение проблем общей патологии — создание общего учения о болезни или общая нозология,
• 2) изучение причин болезни и создание общего учения о причинности в патологии — то есть законов, управляющих причинами — это общая этиология,
• 3) изучение общих механизмов возникновения, развития и прекращения болезней и патологических процессов — общий патогенез — это главная задача,
• 4) изучение типовых патологических процессов — фундамент болезни (их около 20 в различных комбинациях),
• 5) изучение общих закономерностей нарушения и восстановления деятельности отдельных физиологических систем и органов — частная патофизиология, где наиболее важным является изучение показателей недостаточности системы или органа,
• 6) обоснование новых методов лечения — это создание учения о принципах патогенетической терапии — то есть воздействия на механизмы развития болезни на основе знаний патогенеза.

Патологическая физиология для изучения указанных вопросов применяет методы исследования других наук: физиологические, биохимические, биофизические, морфологические. Но она имеет и свой собственный, присущий только ей метод: экспериментальное моделирование патологических процессов у животных, то есть создание в эксперименте модели болезни человека. Применение этого метода требует соблюдения определенных правил, что дает возможность максимально приблизить патологический процесс, который вызывается у животного, к болезни человека и разработать новые методы диагностики и лечения.

Родоначальником применения экспериментального метода в медицинских исследованиях считают великого древнеримского врача Клавдия Галена (ок. 130 — ок. 200). Гален создал учение о болезни, которое использовалось врачами на протяжении почти полутора тысячелетий и было оставлено лишь в связи с дальнейшим развитием науки и получением новых клинических и экспериментальных данных. Гален сделал ряд точных анатомических описаний и первым стал ставить опыты на животных, з том числе — на обезьянах, которых называл «смешной копией человека».

В дальнейшем, на протяжении многих столетий эксперименты на животных, называемые в то время вивисекцией, то есть анатомированием живого организма в целях изучения его строения, ставились в основном с анатомическими целями, физиологические опыты и, тем более, эксперименты в области патологии практически не проводились. Лишь в первой половине XVII в. английский хирург и анатом Гарвей (1578-1657) поставил фундаменты или физиологический эксперимент на — квотных с целью доказательства ошибочности утверждения Галена об образовании и движении в организме крови. Гален утверждал, что кровь образуется в тканях внутренних органов, притекает к сердцу, которое гонит ее в мышцы, где кровь полностью утилизируется. Движение крови по Галену осуществляется как по венам, так и по артериям одновременно: во время систолы сердца — от него к органам и тканям, а во время диастолы — от тканей и органов к сердцу.

Гарвей пересек крупную артерию и установил, что кровь вытекает из центрального ее конца; при пересечении вены кровотечение происходило из периферического конца вены, причем и в том и в другом случае вытекала вся кровь. Таким образом Гарвей установил ограниченность объема крови в организме, а также направление ее движения: от сердца -* по артериям, а к сердцу — по венам. В сочетании с анализом анатомических данных это дало Гарвею основание утверждать, что система кровообращения является замкнутой.

После опытов Гарвея физиологический эксперимент занял прочное место в биологии и медицине.

Первый эксперимент с целью моделирования патологического процесса был осуществлен в 1823 г. французским физиологом Франсуа Мажанди (1783-1855), который показал, что при перерезке у кролика тройничного нерва через несколько дней на роговице глаза, расположенного на стороне операции, появлялась язва, которая в течение нескольких дней увеличивалась в размерах и приводила к гибели глаза. Так были открыты трофические нервы, оказывающие влияние на обмен веществ в тканях.

Структура эксперимента сложна и имеет ряд своих особенностей. Эксперимент бывает острый и хронический. Острый эксперимент (вивисекция) основан на оперативном вмешательстве в организм животного. Он позволяет изучать острые расстройства в организме, например шок, коллапс, краш-синдром, острая недостаточность дыхания, кровообращения, почек и др.

Хронический эксперимент — длительный, дает возможность изучать динамику развития болезни. Его используют для моделирования хронических болезней, например атеросклероза, артериальной гипертензии, сахарного диабета, язвенной болезни и др.

Фазы эксперимента:

• 1. Исследование исходного фона.
• 2. Получение «модели» болезни и исследование ее патогенеза, механизмов болезни;
• 3. Патогенетическая терапия (регуляция механизмов патогенеза).

Выделяют следующие основные методы моделирования.

Эксперимент на живых объектах: на различных видах лабораторных животных, изолированных органах, культурах клеток и тканей. При моделировании на живых объектах всегда нужно помнить, что организм человека намного сложнее даже самых высокоорганизованных животных и находится под постоянным влиянием социальных факторов, в связи с чем получить «полную копию» болезни человека практически невозможно. Тем не менее отдельные симптомы, синдромы и наиболее важные звенья патогенеза человека могут быть изучены на животных. Например, нельзя смоделировать на животных гипертоническую болезнь человека в полном объеме, но можно воспроизвести наиболее важный ее симптом — стойкое повышение кровяного давления (гипертонию). Необходимо также знать, что ряд заболеваний человека (психические болезни, подагру, рак желудка и некоторые другие виды опухолей, бронхиальную астму, корь, скарлатину и др.) воспроизвести в эксперименте вообще невозможно.

При моделировании патологических процессов на живых объектах большое значение имеет принцип подбора лабораторных животных, в каждом случае следует учитывать их видовые и родовые особенности. Так, например, при изучении особенностей влияния на организм различного рода токсических веществ предпочтительнее проводить опыты на животных, метаболизм которых наиболее близок метаболизму человека, — в первую очередь это свиньи, затем собаки и крысы. Для изучения иммуногенности анатоксинов рекомендуются только мыши. Аллергические реакции, анафилактический шок лучше всего моделировать на морских свинках, опухоли — на мышах, неврозы — на собаках. Авитаминоз С можно моделировать только на морских свинках и только в определенном возрасте — от 8 дней до наступления половой зрелости, позднее они уже способны синтезировать витамин С. Инфекционные процессы нужно изучать на кроликах и мышах, но не на крысах, которых отличает повышенная функциональная активность надпочечников, обусловливающая их высокую естественную (в том числе противоинфекционную) резистентность.

Для изучения патологических процессов на живых объектах используют следующие методы эксперимента:

• а) метод выключения (удаления или повреждения) какого-либо органа с последующим анализом появившихся симптомов в сравнении с клинической картиной заболевания у человека, при котором обнаруживается поражение соответствующего органа. Например, еще Шарль Броун-Секар пытался создать модель аддисоновой болезни человека путем удаления одного или двух надпочечников у собак и некоторых других видов животных. Модель сахарного диабета у животных можно вызвать либо удалением поджелудочной железы, либо ее повреждением путем введения им аллоксана или дитизона;
• б) метод включения — введение в организм животных различных веществ, избыток которых обусловливает развитие того или иного заболевания у человека (например, для изучения тиреотоксикоза можно смоделировать его у животных введением тиреоидных гормонов);
• в) метод раздражения — изменение функции того или иного органа путем различных воздействий (например, при раздражении блуждающего нерва возникает брадикардия);
• г) метод изолированных органов — установление характера и степени поражения конкретного органа (сердце, легкие, печень и др.) и его вклада в развитие недостаточности кровообращения, дыхания, пищеварения и пр.;
• д) метод парабиоза — соединение двух животных (парабионтов) через кровеносную и лимфатическую системы для изучения взаимных гуморальных влияний (гормонов и других метаболитов);
• е) метод культуры тканей — выделение и фракционирование клеточных элементов различных органов и тканей, широко используется в последнее время в патофизиологии, гематологии, иммунологии, онкологии, фармакологии и т.п. для изучения роли отдельных клеточных элементов в регуляции кроветворения и иммунопоэза, механизмов малигнизации клеток, установления механизмов цитоповреждающего действия различных фармакологических препаратов и др.;
• ж) метод сравнительной патологии — изучение в сравнительном (эволюционном) аспекте особенностей развития и течения различных патологических процессов (воспаление, гипоксия, лихорадка и др.). Основателем сравнительной патологии считается И.И. Мечников, который, в отличие от его предшественников (К. Линней, Р. Вирхов и др.), впервые связал этот метод с эволюционной теорией. Применив метод сравнительной патологии для изучения воспаления, И.И. Мечников показал возможность использования его для понимания сформированных в процессе эволюции механизмов физиологических и патологических реакций и процессов у высших организмов и человека.

Важно подчеркнуть, что патофизиология не располагает какими-то специальными методами экспериментального исследования и пользуется методическими приемами, разработанными в различных областях естествознания (физиология, биохимия, биофизика, иммунология и др.).

Таким образом, выделяется ряд особенностей моделирования патологического процесса:

Во-первых, необходимо подобрать такой вид животного, у которого данный вид патологического процесса будет развиваться аналогично соответствующему заболеванию человека. Так, например, у лягушки нельзя изучать развитие инфаркта миокарда, поскольку у нее нет коронарных сосудов, и, следовательно, некроз сердечной мышцы при повреждении миокарда будет развиваться совсем не так, как у человека, у которого возникновение инфаркта чаще всего связано с нарушением кровотока по коронарным артериям.

Во-вторых, этиологический (причинный) фактор, вызывающий патологический процесс у животного, должен инициировать динамику этого процесса, близкую к той, которая характерна для соответствующего заболевания человека. Например, широко используемая в экспериментальной кардиологии модель гемодинамической перегрузки сердца с помощью сужения восходящей аорты не является в полной степени адекватной аортальному стенозу у человека, поскольку у последнего процесс развивается постепенно, а у животного в эксперименте возникает одномоментно, что обуславливает различный порядок, характер и время включения в процесс пато — и саногенетических механизмов.

В-третьих, моделируя тот или иной патологический процесс, необходимо учитывать сходство (или различие) метаболизма конкретного вида животных с таковым в организме человека. При несоблюдении этого условия можно получить модель патологического процесса, которая не будет соответствовать заболеванию, развивающемуся у человека, и, следовательно, ценность такого исследования будет невелика. В этом отношении имеется один поучительный пример. В 1913 г. Я. Я. Аничков и С. С. Халатов предложили вызывать у кроликов атеросклероз посредством длительного кормления их холестерином. У животных действительно развивался атеросклероз, и на этой модели были изучены многочисленные механизмы повреждения сосудистой стенки холестерином. Однако данная модель ничего не давала для изучения механизмов развития самого атеросклероза, потому что в отличие от человека у кроликов крайне низка активность ферментов, расщепляющих экзогенно вводимый холестерин.

В-четвертых, при моделировании патологического процесса в опытах на животных необходимо учитывать тот факт, что как бы ни соблюдались условия воспроизведения патологического состояния, организм любого животного отличен от организма человека. Поэтому, прежде чем переносить данные эксперимента в клиническую практику, следует ставить одни и те же эксперименты на животных различных видов. То, что не зависит от видовых особенностей животного, одинаково проявится во всех случаях. Значит, вероятность идентичности наблюдаемых явлений и у человека будет достаточно велика.

В-пятых, проводя моделирование патологических процессов на животных, необходимо строго соблюдать правила гуманного обращения с ними: эксперименты, сопровождаемые болевым раздражением, проводить под наркозом, умерщвление животных осуществлять методами эвтаназии (безболезненной смерти без мучений).

Клиническое исследование. Широкое внедрение в практическую медицину современных высокоинформативных неинвазивных (безвредных) биофизических, биохимических, электрофизиологических и других методов исследования позволило изучать динамику патологических процессов непосредственно у постели больного. Появилась и бурно развивается клиническая патофизиология — «экспериментальная патофизиология на человеке».

Математическое моделирование болезней и отдельных их элементов. Современная медицина уже достаточно широко использует математические приемы для анализа различных патологических процессов и математико-кибернетического моделирования болезней. В этих целях применяется самая современная вычислительная техника, открывающая неограниченные возможности для создания адекватных моделей болезней человека, установления механизмов их развития, прогнозирования особенностей течения и исхода.

Теоретическая разработка философских и методологических проблем патологии, ее фундаментальных понятий и категорий на основании тщательного анализа и синтеза возрастающего с каждым днем потока информации о механизмах развития различных патологических процессов.

Моделирование патологии с использованием искусственных физических систем (искусственных сердца, почки, крови, аппаратов вентиляции лёгких, искусственного кровообращения и др.) также применяют для решения отдельных вопросов патофизиологии.

патофизиология биологический болезнь моделирование

Список литературы

• 1. Черешнев В.А., Юшков Б.Г. — «Патофизиология» — 2001г.
• 2. Адо А.Д. — «Патологическая физиология» — 2000г.
• 3. Новицкий В.В., Гольдберг Е.Д. — «Патофизиология» — 2009г.
• 4. Литвицкий П.Ф — «Патофизиология» 1том — 2003г.