Исследования нашей научной группы посвящены биомеханике и биогидродинамике на организменных, клеточных и молекулярных масштабах организации живых систем. Наша главная цель – понять, какую роль в регуляции биологических процессов играют механические явления. В частности, мы изучаем, как гидродинамические течения и силы в системе кровообращения влияют на патологические или защитные процессы, такие как образование и рост тромба, воспаление, атеросклероз. Исследуем особенности гемодинамики в зависимости от геометрии сосудов, реологических и биохимических особенностей крови. Разрабатываем новые математические модели и вычислительные методы, которые объединяют биофизические и биохимические процессы, охватывают различные пространственные и временные масштабы. Также мы изучаем физические принципы, лежащие в основе механочувствительности живых клеток, и пытаемся понять взаимосвязь между механическими деформациями биополимеров и биохимическими процессами. Подобные задачи требуют комбинации самых разных подходов — от континуальной многофазной гидродинамики до молекулярного моделирования. Наш основной на данный момент научный проект - “Биомеханические особенности агрегации тромбоцитов и лейкоцитов при воспалении микрососудов” - поддержан грантом РНФ. Детальное понимание причин устойчивости тромбоцитарно-лейкоцитарных агрегатов к механическим и лекарственным воздействиям позволит решить одну из актуальных проблем медицины — предотвращение тромбозов и тромбоэмболий, в том числе после хирургических операций, а также при инфекционных заболеваниях.
Руководитель направления: к.ф.-м.н. Беляев Алексей Вячеславович
Среди широкого спектра биомеханических явлений, представляющих интерес для нашего коллектива, можно особо выделить несколько.
Биологическия адгезия, по-видимому, один из важнейших инструментов самоорганизации биологической материи на клеточном, тканевом и макроскопическом уровнях. Так, микроорганизмы могут прикрепляться к различным поверхностям и формировать бактериальные пленки, устойчивые к гидродинамическим воздействиям. Еще пример – агрегация тромбоцитов крови и рост тромба в кровеносных сосудах. Одно из важных свойств особых форменных элементов крови - тромбоцитов - их способность к адгезии и агрегации под действием биохимических агонистов или механических стимулов. По одной из существующих гипотез механизм остановки роста тромба связан с гидродинамическими явлениями.
Концепция применения гибридных моделей в вычислительной гемодинамике на клеточном масштабе
Цель исследований – понять, как гидродинамические потоки влияют на структуру и механические свойства клеточных агрегатов. Мы используем многомасштабные компьютерные модели и проводим расчеты на суперкомпьютере «Ломоносов-2» НИВЦ МГУ, а также сотрудничаем с ведущими специалистами из университетов Европы. Перспективой работы является создание теоретической основы для предсказания рисков тромбоза, а также для проектирования новых гемосовместимых материалов для имплантируемых устройств.
Другой класс задач связан с изучением механических и механо-химических свойств белков крови, в частности, фактора фон Виллебранда, фибриногена, адгезионных рецепторов клеток крови. Интерес представляют конформационные изменения в этих биомакромолекулах под действием механических напряжений и гидродинамических сил, а также выявление взаимосвязи между их строением и механическими свойствами.
Крупно-зернистая компьютерная модель димера (вверху) и мультимера фактора Виллебранда (внизу) позволяет изучить междоменные взаимодействия, их влияние на размер и конформацию четвертичной структуры белка и их роль в феномене гидродинамической активации VWF и агрегации тромбоцитов.
Кроме того, можно сформулировать ряд актуальных направлений:
Биомеханика первичной адгезии тромбоцита к иммобилизированному фактору Виллебранда
в потоке жидкости по данным компьютерного моделирования
См. также:
Статьи:
1. A.V. Belyaev. Intradimer forces and their implication for conformations of von Willebrand factor multimers. // Biophysical Journal, 120(5), 899-911 (2021) DOI: 10.1016/j.bpj.2021.01.022
2. O. Languin-Cattoën, E. Laborie, D.O. Yurkova, S. Melchionna, P. Derreumaux, A.V. Belyaev, F. Sterpone. Exposure of Von Willebrand Factor Cleavage Site in A1A2A3-Fragment under Extreme Hydrodynamic Shear. // Polymers, 13(22):3912 (2021). DOI: 10.3390/polym13223912
3. Belyaev, A.V., Kushchenko, Y.K. Biomechanical activation of blood platelets via adhesion to von Willebrand factor studied with mesoscopic simulations. // Biomech Model Mechanobiol (2023) v.22, pages 785–808. https://doi.org/10.1007/s10237-022-01681-3