При частичном замещении органа, когда объём введённой ткани меньше объёма утраченной, функциональных возможностей органа может оказаться недостаточно для поддержания стабильного состояния организма. Вопрос состоит в том, можно ли, тщательно согласовав время приёма пищи, сна, пребывания в вертикальном положении и двигательной активности с суточными ритмами организма, повысить отдачу от оставшейшейся ткани настолько, чтобы дополнительное замещение уже не требовалось. Вторая, более конкретная часть вопроса касается инженерной формулы, предназначенной для прогнозирования потери устойчивости систем с обратной связью: сможет ли она точно предсказать, при каких обычных, неконтролируемых изменениях времени приёма пищи, положения тела или активности эффект такой коррекции ритмов перестанет обеспечивать стабильность и вновь разовьётся функциональная недостаточность. В основе вопроса лежит предположение, что часть нарушений, которые выглядят как следствие нехватки ткани, связана с рассогласованием ритмов при сохранённых функциональных возможностях. Также предполагается, что вклад этих двух причин можно разделить и количественно оценить.
Значение терминов
- Частичное замещение органа
- Замещение части объёма ткани или числа клеток повреждённого либо постаревшего органа. Например, имплантируют ткань, соответствующую 40% объёма почки. В вопросе это рассматривается как отдельная стратегия: можно ли компенсировать недостающую часть органа иными способами, помимо добавления ткани.
- Согласование фаз физиологических ритмов
- Изменение времени суточных биологических процессов: пика артериального давления, наиболее активного выведения натрия почками, выделения гормонов. Цель состоит в том, чтобы оставшиеся функциональные возможности органа использовались именно тогда, когда потребность организма в них максимальна. Предполагается, что орган меньшего объёма, работа которого согласована с потребностями организма, может справляться с нагрузкой так же хорошо, как более крупный орган, работа которого с ними рассогласована.
- Критерий устойчивости Найквиста
- Математический критерий из теории автоматического управления, позволяющий определить, сохранит ли система с обратной связью и временными задержками устойчивость или в ней возникнут неуправляемые колебания. Он оценивает соотношение между усилением сигналов в системе и временем их прохождения по контуру обратной связи. В вопросе предлагается использовать этот критерий для прогноза условий, при которых повседневные воздействия исчерпают запас устойчивости физиологической системы после согласования фаз её ритмов. Прочитанные источники такого применения критерия не подтверждают.
- Граница устойчивости по усилению и задержке
- Пороговое сочетание усиления сигнала и задержки обратной связи, за которым система теряет устойчивость. В этом вопросе так обозначена предполагаемая граница между условиями, при которых частичное замещение органа позволяет поддерживать устойчивую функцию, и условиями, при которых эта устойчивость теряется. В формулировке вопроса утверждается, что положение этой границы пока неизвестно.
- Суточное снижение артериального давления во время сна
- Нормальный суточный профиль, при котором артериальное давление во время ночного сна снижается на 10-20% по сравнению с уровнем при дневном бодрствовании. Человека с нормальным ночным снижением давления называют «диппером», а человека, у которого давление ночью остаётся повышенным, «нон-диппером». Согласно S1, у пациентов со сниженным функциональным резервом почек ночное снижение давления исчезает, особенно при высоком потреблении соли, и может восстановиться при её ограничении.
- Функциональный резерв почек
- Дополнительные возможности почек по фильтрации сверх уровня, необходимого в покое. Этот резерв позволяет справляться с повышенной нагрузкой солью, белком или жидкостью при сохранении нормального артериального давления. При снижении резерва вследствие заболевания, старения или хирургического удаления почечной ткани почки могут поддерживать базовую функцию, однако при повышенной нагрузке их возможностей оказывается недостаточно, а суточные ритмы выведения веществ и жидкости нарушаются.
- Сольчувствительная артериальная гипертензия
- Форма артериальной гипертензии, при которой давление существенно повышается или снижается при изменении потребления соли с пищей. В S1 она описана как следствие снижения функционального резерва почек: выведение натрия днём замедляется, и для его компенсации ночью поддерживается повышенное давление, усиливающее выведение натрия. В результате нормальное ночное снижение давления исчезает.
- Ультрафильтрационная способность почек
- Способность почек фильтровать плазму крови через стенки капилляров клубочков. Это первый физический этап образования мочи. Снижение ультрафильтрационной способности представляет собой один из двух механизмов, которые S1 связывает с развитием сольчувствительной артериальной гипертензии при уменьшении функционального резерва почек.
Исходные допущения вопроса
Предпосылка подтверждена лишь частично
Предполагается, что часть функциональной способности органа сохраняется в ткани, но становится недоступной из-за рассогласования суточных физиологических ритмов. Инженерный критерий устойчивости позволяет количественно определить границу между обратимым рассогласованием и фактическим дефицитом ткани.
Вопрос основан на двух предположениях. Первое состоит в том, что после частичного замещения органа часть недостаточности его функции связана с рассогласованием работы оставшейся ткани с потребностями организма. При таком объяснении абсолютный дефицит клеток определяет лишь часть функционального дефицита. Второе предположение состоит в том, что к физиологии человека можно применить математический инструмент теории управления, который предсказывает, когда в системе с запаздывающей обратной связью возникнут неуправляемые колебания. Предполагается, что этот инструмент позволит разграничить устранимые нарушения временной организации работы органа и необратимую потерю ткани. Если первое предположение ошибочно, изменение времени протекания ритмов окажется бесполезным. Если ошибочно второе, у прогноза того, когда повседневные воздействия нарушат устойчивость достигнутого восстановления, будет отсутствовать обоснованная основа.
S1 показывает, что снижение функционального резерва почек нарушает циркадные ритмы артериального давления и выведения натрия, а ограничение соли в рационе может частично восстановить нормальное чередование дневных и ночных показателей. Это косвенно поддерживает предположение, что снижение функциональной способности органа сопровождается нарушениями временной организации его работы и что изменение поведения, в частности потребления соли, может влиять на эти нарушения. При этом S1 не рассматривает их с точки зрения разграничения восстанавливаемой функциональной способности и дефицита ткани, не использует модели теории управления, не упоминает критерий устойчивости Найквиста или какую-либо границу устойчивости и не проверяет, приводит ли восстановление ритма к восстановлению функции органа. Прочитанные источники также не подтверждают инженерную часть предпосылки: применимость формулы устойчивости, учитывающей усиление и задержку, к этим физиологическим контурам обратной связи.S1
Тот же вопрос после исключения части, которую прочитанные материалы не подтверждают:
- Улучшает ли восстановление нормальных циркадных ритмов выведения веществ и артериального давления измеряемые показатели работы органов со сниженным функциональным резервом и насколько велико это улучшение по отношению к утраченной функциональной способности?
- Как количественно связаны нарушения циркадных ритмов и функциональный дефицит в органах со сниженной функциональной способностью и какую долю этого дефицита можно устранить изменением времени повседневных действий?
- Насколько устойчив восстановленный циркадный ритм органа со сниженной функциональной способностью к повседневным воздействиям, таким как изменения времени приёма пищи, смена положения тела и физическая активность?
Что зависит от ответа
- Согласование фаз физиологических ритмов восстанавливает достаточную функцию после частичного замещения органа, а устойчивость этого восстановления поддаётся прогнозированию. Если изменение времени протекания суточных ритмов действительно позволяет компенсировать дефицит ткани, минимальный необходимый объём замещения уменьшается. Хирурги или специалисты по тканевой инженерии смогут имплантировать меньше материала, а оставшийся функциональный дефицит компенсировать послеоперационным режимом питания, сна и активности. Если к тому же формула устойчивости надёжно предсказывает, когда повседневные нарушения режима сведут на нет достигнутое восстановление, врачи смогут задавать количественные ограничения с учётом оставшегося резерва каждого пациента: максимальную солевую нагрузку, частоту смены положения тела и предельную физическую нагрузку. На практике это позволит уменьшить объём вмешательств, повысить их безопасность и определить условия, при которых орган сохраняет устойчивую работу.
- Согласование фаз физиологических ритмов улучшает функцию, но устойчивость этого улучшения остаётся непредсказуемой. Если изменение времени протекания ритмов улучшает функцию, но формула, предсказывающая её дестабилизацию при обычной активности, отсутствует, улучшение будет реальным, а возможности управлять его устойчивостью останутся ограниченными. Пациент может неделями чувствовать себя хорошо в контролируемых условиях, а затем пережить резкое ухудшение после обычного приёма пищи или подъёма на один лестничный пролёт. Предвестники такого ухудшения и возможность заранее установить безопасные пределы при этом могут отсутствовать. Врачам придётся выбирать между практически невыполнимым жёстким режимом и риском срыва функции, величина которого неизвестна. Поэтому даже при теоретическом выигрыше вопрос о минимальном необходимом объёме замещения останется открытым для практики.
- После согласования фаз физиологических ритмов функция частично замещённого органа остаётся недостаточной. Если нарушение циркадных ритмов в органах со сниженным резервом представляет собой вторичное проявление функционального дефицита, а возможность восстановить часть функции за счёт коррекции ритмов отсутствует, такая коррекция улучшит показатели вроде суточного снижения артериального давления во время сна, но функция органа останется сниженной. Тогда минимальный необходимый объём ткани будет полностью определяться массой функционирующих клеток. Режим коррекции ритмов потеряет значение для определения объёма замещения, а инженерная модель устойчивости лишится предполагаемого физиологического объекта моделирования. Исследования согласования фаз физиологических ритмов как способа уменьшить необходимый объём ткани будут направлены на стратегию, которая такого уменьшения обеспечить не может.
Значение вопроса
Если причиной недостаточной функции после частичного замещения органа служит работа оставшейся ткани в неподходящее время суток при достаточном её объёме, восстановление согласованности суточных ритмов реципиента могло бы снизить предполагаемый минимальный объём ткани, который необходимо пересадить или регенерировать. Переоценка потребности в ткани означает избыточное замещение, которое подвергает реципиента хирургическим и иммунологическим рискам без соответствующей пользы. Недооценка этой потребности означает, что коррекцию ритмов сочтут достаточной при реальной нехватке ткани, и органная недостаточность у реципиента продолжит прогрессировать. Вторая часть вопроса касается дополнительного риска: коррекция ритмов, эффективная в контролируемых условиях, может перестать поддерживать функцию, как только пациент пропустит приём пищи, резко встанет или выполнит физическую нагрузку. Чтобы оценить, насколько легко нарушить достигнутую устойчивость, необходимо количественно определить её границу.