Базируется на моих статьях, признанных РАН и международным научным сообществом:
- «Внутренняя гидродинамика цитоплазмы нормальной и раковой клеток организма; принцип построения живой ткани из клеток: гипотезы, физическая и математическая модели, приблизительный расчет частотных характеристик клетки», опубликованная в журнале «Биофизика» РАН (том 64, № 1, 2019; https://elibrary.ru/item.asp?id=36801226 DOI: 10.1134/S0006302919010113 ). В мае 2019 г. издательство Springer опубликовало данную статью на английском языке (BIOPHYSICS 64, 75–82 (2019); https://doi.org/10.1134/S000635091901010X );
- «Часть антиковидной терапии, основанной на теоретической модели механики контактного взаимодействия коронавируса с оболочкой клетки» (журнал «Биофизика» РАН, том 68, № 2, 2023; ссылка: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=53965855). Вариант статьи на английском языке представлен издательством Springer в августе 2023 г. (ссылка https://link.springer.com/article/10.1134/S0006350923020094).
Сначала о коронавирусе. В результате экспериментов выяснилось, что отличительная особенность Covid-19 от других коронавирусов – это наличие чрезвычайно гибких и упругих шиповидных отростков в отличие от более жестких и ригидных шипов других видов коронавируса, например, гриппа. Шиповидный отросток имеет ножку, которая крепится к круглой части. На конце шиповидного отростка находится тело с бугристой поверхностью. Размер коронавируса составляет 100–120 нм. В верхней части белка имеется петля, являющаяся рецептор - связывающим доменом. Его функция – прикрепиться к рецептору, который находится на поверхности большинства клеток слизистой горла и легких человека. После того, как коронавирусные шипы прикрепились к рецептору, прочие белки, имеющиеся на поверхности человеческой клетки, запускают процесс, который приводит к слиянию вирусной и клеточной мембран. Коронавирус проникает внутрь клетки с помощью поры слияния, деформируя оболочку клетки. Другими словами, происходит «дырявливание» оболочки клетки. Поэтому на КТ легких видна картина «матового стекла», показывающая выход цитоплазмы, внутренней жидкости клетки, через отверстия, образованные порами слияния коронавируса с мембраной.
Что представляет собой оболочка клетки, или мембрана? Биологическая мембрана представляет собой два параллельных слоя липидов, жировых молекул. В мембрану вкраплены различные белки. Некоторые из них находятся на внешней или на внутренней поверхности липидной части мембраны; другие пронизывают всю толщу насквозь. При физиологических температурах оболочки клетки находятся в жидкокристаллическом состоянии и проявляют свойства упругости только вдоль оси z, перпендикулярной двум слоям липидных молекул, образующих поверхность оболочки. Если сила действует вдоль слоев, то в этом направлении закон упругости не работает, и тело ведет себя как вязкая жидкость. Тела с вышеописанными свойствами называются смектическими. В смектиках все длинные оси молекул перпендикулярны поверхности слоя. Толщина каждого слоя равна длине одной липидной молекулы. Если воздействовать силой вдоль оси z, то расстояние между плоскостями изменится и произойдет искривление слоев. При этом, как и в твердом теле, возникнут упругие силы, стремящиеся вернуть тело в прежнее состояние. Толщина клеточной мембраны составляет 7–12 нм.
Рис. 1. Схема мембраны клетки.
Итак, упругий шиповидный отросток при присоединении сжимается, и возникает сила упругости. Причем эта сила зависит от формы шипа. Например, при полукруглой форме (что характерно для штамма дельта) сила упругости больше, чем при цилиндрической форме отростка штамма омикрон. Соответственно, вероятность «дырявления» клетки у омикрона меньше, чем у дельты. Получается, что тяжесть заболевания различных штаммов зависит от формы шиповидного отростка.
По сравнению с площадью оболочки клетки вирус является объектом малого размера. Получаем задачу воздействия точечной силы на оболочку круглой формы. Такая проблема была решена в «Теории упругости» Ландау, Лифшицем и Погореловым. Рассматриваются два возможных вариантов формы деформации при воздействии упругой силы на мембрану: небольшое плавное искривление слоев и выпуклая глубокая деформация, как показано на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Небольшая деформация оболочки клетки под воздействием упругой силы коронавируса.
Рис. 3. Выпуклая деформация оболочки клетки под воздействием упругой силы коронавируса.
Из-за структуры мембраны клетки второй вариант не может реализоваться, потому что в смектической жидкокристаллической оболочке клетки невозможно претерпеть дважды искривление слоев на небольшом расстоянии. Далее можно вычислить условие точечного разрыва оболочки коронавирусом, зависящее от размеров клетки, или радиуса клетки. Получается, что, чем больше размер клетки, тем вероятность ее «дырявливания» выше. Поэтому, есть возможное объяснение, почему наиболее тяжело заболевание ковидом протекает у пожилых людей, людей с ожирением и спортсменов. Дело в том, что размеры альвеол легких у этой группы людей в 10 раз больше, чем, например, у младенцев.
Также получается в результате вычислений, что дельта - штамм с большей вероятностью будет поражать клетки, чем омикрон – штамм.
Итак, на мембране клетки возникают отверстия. В этом случае, что делать организму? Локальные повреждения оболочки клетки активизируют свертывающую систему крови, при этом повышается количество тромбоцитов для «ликвидации» такого повреждения. Одновременно с этим повышается риск тромбозов. Задача врача – найти компромисс между двумя разнонаправленными стратегиями.
Если повреждение имеет малые размеры, то возможно самовосстановление мембраны клетки. Представим, что в мембране возникло отверстие радиусом r. Образование в мембране отверстия приводит к увеличению площади поверхности по периметру отверстия на величину 2πrh, где h – толщина оболочки. Соответственно пропорционально увеличивается энергия поверхностного натяжения. С другой стороны, появление отверстия влечет потерю площади внутренней и внешней сторон поверхности оболочки на величину 2πr*2, что приводит к потере энергии поверхностного натяжения. Если разница в энергиях складывается в пользу последней, то образовавшееся отверстие самовосстанавливается за счет перехода молекул липидов из нижнего, более плотно «упакованного» слоя мембраны в верхний слой с использованием кромки отверстия. Другими словами, если размер отверстия меньше толщины мембраны, оболочка может самовосстановиться. С ростом радиуса r отверстие достигает критического размера, равного толщине мембраны h, при превышении которого произойдет локальное повреждение мембраны.
Произведенные расчеты показывают, что, чем меньше будет размер клетки, тем меньше вероятность локального повреждения клетки при воздействии коронавируса. Уменьшить величину размера клетки можно уменьшением количества внутриклеточной жидкости. На начальном этапе заболевания применение препаратов-диуретиков может быть эффективной терапией, предотвращающей патологическое повреждение клеток. Для доступных тканей (горла, носа) можно применять многократные солевые ингаляции, которые вызовут отток жидкости из клеток, и, соответственно, уменьшат размер клеток.
Теперь о раке. В предыдущей статье было подробно описан механизм набухания раковых клеток. Основная характеристика раковой опухоли – это неработающие насосы клетки. Если не работает осмотический насос, то в клетку не поступают отрицательно заряженные ионы кислорода. Во внеклеточной жидкости находятся отрицательно заряженные ионы хлора, которые начинают замещать недостающие ионы кислорода. Как известно, ионы хлора являются компонентами соли, что вызывает притягивание жидкости (по аналогии с возникающей жаждой при поедании соленой пищи) в клетку, происходит набухание и увеличение в размерах. Поэтому соответственно подобранный штамм коронавируса может «дырявить» крупные по размеру раковые клетки, не затрагивая нормальные.