Неуклонный рост заболеваемости, частота обострений и недостаточная эффективность лечения больных воспалительными заболеваниями ЛОР-органов приводят к значительным нарушениям здоровья и качества жизни пациентов [1, 2]. Это обосновывает необходимость разработки новых технологий изучения их патогенеза, диагностики и лечения. Особенно актуальна в настоящее время разработка неинвазивных методов ранней диагностики заболеваний, позволяющих прогнозировать возникновение, рецидивирование и хронизацию воспалительного процесса.

Нарушение состава биологической жидкости (БЖ) секрета слизистой оболочки (СО) верхних дыхательных путей (ВДП) играет значительную роль в патогенезе воспалительных заболеваний ЛОР-органов. Однако технология оценки высокодинамичных связей в жидких средах организма была разработана лишь в последние годы. Внедрение в практику методов клиновидной дегидратации (КД) биологических жидкостей [3] предоставило возможность получения интегрированной информации, заложенной в особенностях морфологической картины твердой фазы БЖ. В настоящее время установлено, что при КД структурообразование твердой фазы БЖ протекает по закономерному порядку, с учетом взаимосвязей компонентов, физических законов и внешних условий. Этот процесс преобразуется и фиксируется в виде определенных структур твердой фазы с соответствующими качественными и количественными параметрами [4]. Анализ образующихся структур дает интегральную информацию о состоянии изучаемого объекта. При патологических состояниях наблюдаются значительные нарушения данного порядка, выражающиеся в потере БЖ способности формировать физиологические структуры [5]. В результате структуры приобретают новые признаки, которые рассматриваются как патологические [6]. Вместе с тем непосредственно физико-химические механизмы самоорганизации БЖ при дегидратации в настоящее время остаются малоизученными, что затрудняет не только трактовку структур твердой фазы, но и идентификацию маркеров различных заболеваний, диагностику патологических процессов, в частности ВДП.

Цель исследования — экспериментально-теоретическое исследование механизмов структуризации секрета полости носа в процессе его дегидратации при воспалительных заболеваниях ВДП.

Обследованы 60 здоровых пациентов и 410 больных воспалительными заболеваниями ВДП. Из них больные острым риносинуситом составили 50 человек, различными формами хронического риносинусита — 360 человек. Материалом для исследований служили: секрет СО полости носа, полученный из области остиомеатального комплекса, и модельные Б.Ж. Мы исследовали поведение как естественных БЖ (носовой секрет — НС), так и модельных жидкостей (МЖ), близких к ним по соотношению белок/соль. Применялись 2 типа МЖ с разным содержанием альбумина (c_A) в физиологическом растворе NaCl: МЖ (I типа) с концентрацией альбумина 0,10 г/100 мл, МЖ (II типа) с концентраций альбумина 1,0 г/100 мл. В экспериментальном исследовании были использованы как модельные образцы, так и образцы секрета СО полости носа здоровых людей и пациентов с воспалительными заболеваниями носа и околоносовых пазух (ОНП).

Методы исследования включали: метод перевода БЖ в твердую фазу (метод клиновидной дегидратации), математическое моделирование процессов структурирования БЖ при клиновидной дегидратации, телевизионную микроскопию, статистическую обработку полученных результатов. Обработка цифровых изображений и статистический анализ полученных результатов проводились с использованием программы Mathematica версия 11.3 (Wolfram Research).

Метод клиновидной дегидратации. Капли Б.Ж. в объеме от 2 до 20 мкл последовательно наносили лабораторной пипеткой в окна тест-карты, расположенной строго горизонтально. Высушивание проводилось при температуре 20—25 °С и относительной влажности 65—70%. Продолжительность периода высыхания (до момента анализа структуры) составляла 1—2 ч. По истечении указанного времени препараты исследовали под микроскопом.

Исследование структурообразования БЖ проводили на стереомикроскопе LeicaMZ12 с помощью видеонасадки Leica DFC300 FX. Цифровая камера записывала процесс дегидратации капли БЖ на видео с частотой 50 кадров в секунду. Методом телевизионной микроскопии получали серии цифровых изображений капли БЖ в процессе формирования твердой фазы и проводили их оценку.

На основе уравнения общего энергетического баланса (ОЭБ) нами была разработана физическая модель испарения в высыхающей капле модельной жидкости белка заданной концентрации. В ней учитывается: количество энергии, теряемой системой при испарении, изменение внутренней энергии и поверхностной энергии капли с учетом перемещения КЛ капли, гравитационной потенциальной энергии и работы вязкой диссипации. Модель описывает транспортную динамику растворенных компонентов, динамику основных параметров капли (объем, масса, контактный угол, скорость движения фазового фронта), изменение скорости испарения капли, процессы построения структуры при осаждении до формирования пленки геля. В уравнениях разработанной модели использовались начальные геометрические параметры: объем; радиус (R₀); высота и контактный угол капли, физические параметры: динамическая вязкость, поверхностное натяжение, плотность параметра капли, а также факторы внешней среды (температура, относительная влажность и давление пара). Моделирование испарения капли позволило количественно оценить характеристики капель БЖ (форму, размеры, время испарения), а также описать движение границы фазового фронта и изменение профиля капли вблизи контактной линии в зависимости от условий испарения.

Исследования поведения КЛ капель БЖ и МЖ в процессе испарения до высыхания капли (0<t<t_F) позволили оценить t_F — общее время высыхания капли, соответствующее времени потери свободной воды, в течение которого капля сохраняет сферическую форму. Для численного решения уравнения ОЭБ в качестве начальных условий использовались радиусы капли и динамические углы смачивания, что позволило вычислить значения t_F всех типов исследуемых жидкостей и сопоставить их с данными, полученными в эксперименте (табл. 1).

Уменьшение объема капли при испарении изучалось нами по уменьшению ее радиуса. За радиус капли принято расстояние от центра капли до трехфазной границы между воздухом, жидкостью и подложкой. Решение уравнения ОЭБ позволило определить изменение радиуса капли в зависимости от относительного времени испарения ε = t/t_F. Модельные расчеты изменения радиуса капли БЖ и МЖ R(t), выполненные при известных физических параметрах, приведены на рис. 1.

Экспериментальные исследования БЖ и МЖ под микроскопом фиксировали уменьшение радиуса капли и перемещение КЛ при испарении (рис. 2).

Анализ изменения относительного радиуса капель исследуемых БЖ и МЖ, представленных на рис. 1 и 2, при их испарении показал динамику уменьшения радиуса у всех исследуемых жидкостей при всех соотношениях белково-солевых компонентов. При этом данные модельных расчетов (см. рис. 1) согласуются с полученными экспериментальными данными (см. рис. 2).

Модельные расчеты и экспериментальные наблюдения показали, что КЛ капель МЖ (II типа) и НС (при воспалении) были практически неподвижны в течение 0<t<0,6t_F. По истечении половины времени испарения (t≈0,6t_F) КЛ начинает двигаться, и относительный радиус начинает уменьшаться.

Результаты проведенного нами экспериментально-теоретического исследования свидетельствуют, что у пациентов при воспалении носа и ОНП длительность испарения капель НС меньше, в то время как уменьшение радиуса происходит значительно медленнее, чем у здоровых пациентов.

Таким образом, на основе общего баланса энергии было получено уравнение изменения радиуса сферически-симметричной капли при испарении, результаты решения которого обнаружили совпадение с результатами, полученными при экспериментальных исследованиях. Показано, что динамика изменения радиуса капли может моделировать процесс на всех этапах испарения. Кроме того, было подтверждено, что изменение радиуса капли происходит достаточно медленно в каплях с высоким содержанием белка. Представленная модель ОЭБ не требует знания большого числа эмпирических параметров, связанных с составом БЖ и динамикой его изменения, и испарение капли можно полностью смоделировать с помощью широкоизвестных параметров БЖ (плотность, вязкость и поверхностное натяжение) и оценить изменение КЛ.

Наблюдения показывают, что процесс дегидратации МЖ I типа протекает по равномерному режиму испарения, а МЖ II типа − по неравномерному режиму, в том числе стадийно и скачкообразно. При исследовании методом клиновидной дегидратации в секрете при воспалении наблюдается характерное накопление большей концентрации растворенных белков в периферической области капли БЖ при большей скорости испарения и неравномерном характере структуризации осадка.

В результате проведенных модельных расчетов и экспериментальных исследований на примере модельных и естественных БЖ нами уточнены некоторые механизмы структуризации БЖ при их переходе в твердую фазу в процессе клиновидной дегидратации их особенностей при воспалении носа и ОНП. Показаны общие закономерности процессов структуризации естественных БЖ и их модельных растворов, установлено, что эти процессы могут быть описаны в рамках гидродинамики вязкой жидкости. Это позволяет расширить понимание процессов построения структур твердой фазы естественных биологических жидкостей, в том числе секрета СО ВДП, и их особенностях при воспалении. Полученные результаты свидетельствуют о диагностической значимости оценки длительности испарения и характера формирования осадка в капле БЖ для выявления воспалительного процесса, сопровождающегося высокой концентрацией белков в секрете СО носа. Основными диагностическими критериями оценки состояния БЖ для выявления воспалительного процесса могут служить такие параметры дегидратации, как длительность и характер режима испарения. Перечисленные параметры могут быть использованы для диагностики патофизиологических изменений в организме, отражающихся на составе БЖ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts interest.

Сведения об авторах

Шабалин В.В. — е-mail: vvshabalin@mail.ru; https://orcid.org/ 0000-0002-8168-2343

Захарова Г.П. — е-mail: GalinaZaharovaLOR@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-4779-4058

Мальцева Г.С. — е-mail: g.s.maltseva@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-0670-9566

Чернушевич И.И. — е-mail: igor1st@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-1808-1446

Алексанян Т.А. — e-mail: doctigran@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-9164-6282

Автор, ответственный за переписку: Шабалин В.В. — е-mail: vvshabalin@mail.ru

Шабалин В.В., Захарова Г.П., Мальцева Г.С., Чернушевич И.И., Алексанян Т.А. Биофизические механизмы дегидратации секрета полости носа при воспалительных заболеваниях верхних дыхательных путей. Вестник оториноларингологии. 2019;84(4):17-21. https://doi.org/10.17116/otorino201984041