Моделирование ферментативных процессов в двенадцатиперстной кишке для прогнозирования областей повышенного риска функциональных нарушений

Файл статьи: 
Иконка PDF health-risk-analysis-2022-3-18.pdf
УДК: 
532: [613.2+612.3]
DOI: 
10.21668/health.risk/2022.3.18
Авторы: 

М.Р. Камалтдинов

Организация: 

Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Россия, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82

Аннотация: 

Разработаны модели двенадцатиперстной кишки с учетом моторики, биохимических реакций, происходящих под действием секретируемых пищеварительных соков, и всасывания продуктов реакции в нормальном состоянии и при наличии функциональных нарушений. На основе литературных данных были выделены основные компоненты желчи, ферменты панкреатического и кишечного сока, которые воздействуют на поступающие в двенадцатиперстную кишку жиры, белки и углеводы.

Представлена упрощенная схема преобразования компонент пищи с учетом нервно-гуморального механизма регуляции пищеварения. Поступающий в двенадцатиперстную кишку химус рассматривается как гомогенная смесь, которая меняет свой состав в процессе химических реакций. Математическая постановка задачи включает в себя уравнения сохранения массы и импульса для многокомпонентной вязкой жидкости. Секреция пищеварительных соков и всасывание образовавшихся в результате реакций компонент описаны с помощью массовых источников / стоков в трубе в пристеночном слое. Для описания моторики тракта использован перистальтический закон движения стенок двенадцатиперстной кишки, характеристики движения не зависят от состава смеси.

Получены результаты численных экспериментов для описания гидролиза 5%-ного раствора крахмала под воз-действием панкреатической амилазы, из которых видно, что не весь крахмал вступает в химическую реакцию, что согласуется с экспериментальными данными. Представлены поля концентраций компоненты глюкозы, амилазы, крахмала в различные моменты времени и поле скоростей жидкости.

На следующем этапе разработки модели предполагается учесть всасывание компонент пищи, функциональные нарушения секреции / всасывания и моторики кишечника, влияние нервных и гуморальных механизмов. В перспективе разработанная модель может быть использована для прогнозирования областей повышенного риска развития функциональных нарушений, образования язв и других дефектов слизистого покрова тракта, что поможет врачу назначить индивидуальное лечение, персональный режим питания.

Ключевые слова: 
двенадцатиперстная кишка, многокомпонентная смесь, математическое моделирование, пищеварительные соки, ферменты, секреция, перистальтика, глюкоза
Камалтдинов М.Р. Моделирование ферментативных процессов в двенадцатиперстной кишке для прогнозирования областей повышенного риска функциональных нарушений // Анализ риска здоровью. – 2022. – № 3. – С. 182–191. DOI: 10.21668/health.risk/2022.3.18
Список литературы: 
  1. Денисов С.Д., Коваленко В.В. Анатомическая характеристика рельефа слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки человека // Медицинские новости. – 2013. – № 11. – C. 11–15.
  2. Гормональная функция двенадцатиперстной кишки в норме и патологии / А.В. Щербатых, А.А. Реут, О.А. Мар-келов, С.М. Кузнецов // Сибирский медицинский журнал (Иркутск). – 1998. – Т. 14, № 3. – С. 5–9.
  3. Литовский И.А., Гордиенко А.В. Гастродуоденальные язвы и хронический гастрит (гастродуоденит). Дискуссионные вопросы патогенеза, диагностики, лечения. – СПб.: ООО «Изд-во «СпецЛит», 2017. – 304 с.
  4. Lam S.K. Pathogenesis and pathophysiology of duodenal ulcer // Clin. Gastroenterol. – 1984. – Vol. 13, № 2. – P. 447–472.
  5. Мезенцева Л.В., Перцов С.С. Математическое моделирование в биомедицине // Вестник новых медицинских технологий. – 2013. – Т. XX, № 1. – С. 11–13.
  6. Harrison S.M., Cleary P.W., Sinnott M.D. Investigating mixing and emptying for aqueous liquid content from the stomach using a coupled biomechanical-SPH model // Food Funct. – 2018. – Vol. 9, № 6. – P. 3202–3219. DOI: 10.1039/c7fo01226h
  7. Quantification of gastric emptying caused by impaired coordination of pyloric closure with antral contraction: a simu-lation study / S. Ishida, T. Miyagawa, G. O'Grady, L.K. Cheng, Y. Imai // J. R. Soc. Interface. – 2019. – Vol. 16, № 157. – P. 20190266. DOI: 10.1098/rsif.2019.0266
  8. Kamaltdinov M., Zaitseva N., Trusov P. A mathematical model of the multiphase flow in the antroduodenum: consid-eration of the digestive enzymes and regulation processes // Series on Biomechanics. – 2018. – Vol. 32, № 3. – P. 36–42.
  9. Fullard L.A., Lammers W.J., Ferrua M.J. Advective mixing due to longitudinal and segmental contractions in the ileum of the rabbit // Journal of Food Engineering. – 2015. – Vol. 160. – P. 1–10. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2015.03.017
  10. Mixing and emptying of gastric contents in human-stomach: A numerical study / C. Li, J. Xiao, X.D. Chen, Y. Jin // J. Biomech. – 2021. – Vol. 118. – P. 110293. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2021.110293
  11. Li C., Jin Y. A CFD model for investigating the dynamics of liquid gastric contents in human-stomach induced by gastric motility // Journal of Food Engineering. – 2021. – Vol. 296. – P. 110461. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2020.110461
  12. Sinnott M.D., Cleary P.W., Harrison S.M. Peristaltic transport of a particulate suspension in the small intestine // Ap-plied Mathematical Modelling. – 2017. – Vol. 44. – P. 143–159. DOI: 10.1016/j.apm.2017.01.034
  13. Modelling Flow and Mixing in the Proximal Small Intestine / N. Palmada, J.E. Cater, L.K. Cheng, V. Suresh // Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. – 2020. – P. 2496–2499. DOI: 10.1109/EMBC44109.2020.9176688
  14. The role of circular folds in mixing intensification in the small intestine: A numerical study / J. Zha, S. Zou, J. Hao, X. Liu, G. Delaplace, R. Jeantet, D. Dupont, P. Wu [et al.] // Chemical Engineering Science. – 2021. – Vol. 229. – P. 116079. DOI: 10.1016/j.ces.2020.116079
  15. Hari B., Bakalis S., Fryer P. Computational modeling and simulation of the human duodenum [Электронный ресурс] // Excerpt from the Proceedings of the 2012 COMSOL Conference in Milan. – 2012. – URL: https://www.comsol.com/paper/download/151975/hari_paper.pdf (дата обращения: 15.03.2022).
  16. Бойчук И.П. Перистальтический транспорт вязкой жидкости в цилиндрических трубах // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2005. – № 29. – С. 142–143.
  17. Анкудинова С.А., Новокшонова Ю.Ю., Тойгонбеков А.К. Моторно-эвакуаторные нарушения верхних отделов кишечника у больных, оперированных по поводу рака желудка // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. – 2012. – Т. 12, № 2. – С. 35–37.
  18. Subsite mapping of the human pancreatic alpha-amylase active site through structural, kinetic, and mutagenesis techniques / G.D. Brayer, G. Sidhu, R. Maurus, E.H. Rydberg, C. Braun, Y. Wang, N.T. Nguyen, C.M. Overall, S.G. Withers // Biochemistry. – 2000. – Vol. 39, № 16. – P. 4778–4791. DOI: 10.1021/bi9921182
  19. Stiefel D.J., Keller P.J. Preparation and some properties of human pancreatic amylase including a comparison with human parotid amylase // Biochim. Biophys. Acta. – 1973. – Vol. 302, № 2. – P. 345–361. DOI: 10.1016/0005-2744(73)90163-0
  20. Mass transfer and nutrient absorption in a simulated model of small intestine / A. Tharakan, I.T. Norton, P.J. Fryer, S. Bakalis // J. Food Sci. – 2010. – Vol. 75, № 6. – P. E339–E346. DOI: 10.1111/j.1750-3841.2010.01659.x
Получена: 
15.04.2022
Одобрена: 
26.05.2022
Принята к публикации: 
21.09.2022

Вы здесь

Главная