Атеросклероз представляет собой хронический воспалительный процесс в стенках артерий, характеризующийся отложением липидов, клеточной пролиферацией и ремоделированием сосудистой стенки. Биофизические аспекты этого процесса охватывают широкий диапазон явлений — от молекулярной динамики липидов до механических свойств сосудов.
В основе начальных этапов атерогенеза лежит нарушение липидного гомеостаза. Липопротеины низкой плотности (ЛПНП) играют ключевую роль. С биофизической точки зрения, ЛПНП — это коллоидные частицы, представляющие собой липидное ядро, окружённое амфифильной оболочкой из фосфолипидов, холестерина и аполипопротеинов. Их взаимодействие с эндотелием подчиняется законам диффузии и адгезии, причем повышенное содержание ЛПНП усиливает вероятность их окисления и трансцитоза в интиму артерий.
Окисление липидов — это критически важный процесс, изменяющий физико-химические свойства липопротеинов. Окисленные ЛПНП (oxLDL) приобретают повышенную аффинность к рецепторам на макрофагах, индуцируя их трансформацию в пенистые клетки. Биофизические методы, такие как ЭПР-спектроскопия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), позволяют исследовать структурные изменения в мембранах и липидных компонентах в процессе окисления.
Стенка артерий подвержена действию гемодинамических сил, включая сдвиговое напряжение, растягивающее напряжение и пульсирующее давление. Эндотелиальные клетки чувствительны к сдвиговому напряжению (shear stress), величина которого пропорциональна градиенту скорости потока крови у стенки. Участки с пониженным сдвиговым напряжением (например, в местах бифуркаций) подвержены атеросклеротическому поражению, что обусловлено нарушением физиологической ориентации цитоскелета и экспрессии генов.
Изменения в структуре стенки сосуда (утолщение интимы, фиброз, кальцификация) ведут к снижению её эластичности. Это поддаётся количественной оценке с помощью методов эластографии, УЗИ или магнитно-резонансной томографии. Биофизическая модель Ву-Муира описывает упругие свойства артериальной стенки, рассматривая её как анизотропный нелинейно-упругий материал.
Ремоделирование сосудов в процессе атерогенеза также включает процессы деградации внеклеточного матрикса, контролируемые металлопротеиназами. Это влияет на биомеханическую прочность и устойчивость бляшки к разрыву, что имеет ключевое значение при развитии осложнений, таких как тромбоз.
Адгезия лейкоцитов к эндотелию — важный этап воспалительной реакции. Биофизически этот процесс можно охарактеризовать как взаимодействие лейкоцитарных интегринов с молекулами адгезии (ICAM-1, VCAM-1), экспрессируемыми на активированном эндотелии. Величина сил адгезии измеряется методом атомно-силовой микроскопии (AFM) и лазерной оптической пинцеты.
После адгезии следует миграция лейкоцитов через эндотелий — трансцедез, сопровождающийся локальной реорганизацией цитоскелета и межклеточных контактов. Пространственно-временные параметры этого процесса моделируются с использованием биофизических моделей актина и микротрубочек.
Липидные накопления в стенке сосуда не являются гомогенной массой, а представляют собой системы, подверженные фазовым переходам. При определённых условиях липиды могут переходить из жидкокристаллической фазы в гель-фазу. Эти переходы изменяют механические свойства бляшки, включая жёсткость и проницаемость.
Кальцификация, часто наблюдаемая в зрелых бляшках, представляет собой процесс кристаллизации гидроксиапатита, контролируемый термодинамически и кинетически. Биофизические модели описывают этот процесс как гетерогенное нуклеирование на матриксных белках, в том числе остеонектине и остеопонтине.
Развитие атеросклеротической бляшки сопровождается изменением оптической плотности, коэффициента преломления и поглощения ткани. Это используется в методах оптической когерентной томографии (ОКТ) и лазерной спектроскопии рассеяния для неинвазивного мониторинга стадии развития бляшки. Биофизические расчёты Ми-рассеяния позволяют моделировать взаимодействие света с липидными и кальцифицированными компонентами.
Электрические свойства тканей (импеданс, проводимость) также меняются в зависимости от стадии воспаления и состава бляшки. Электроимпедансная томография может регистрировать различия между интактной сосудистой стенкой и поражённой областью. Эти методы основаны на различии диэлектрических свойств, обусловленных изменением водного и ионного состава тканей.
Разрыв нестабильной бляшки — это механическое событие, обусловленное нарушением баланса между напряжением, действующим на фиброзную капсулу, и её прочностью. Тонкие капсулы с малым содержанием коллагена подвержены разрыву при действии повышенного кровяного давления. Механическая модель разрыва основана на уравнениях прочности материалов, включая критерии Гриффитса и Мак-Клинтока.
После разрыва бляшки экспонируются ткани с высокой тромбогенной активностью, включая тканевой фактор. Это инициирует каскад коагуляции, ведущий к образованию тромба. Биофизические аспекты свёртывания крови включают моделирование кинетики фибриноген–фибрин перехода, агрегации тромбоцитов и роста тромба с учётом механического сопротивления кровотоку. Особое внимание уделяется взаимодействию факторов свёртывания с поверхностями различной зарядовой плотности и топографии.
Современные методы визуализации и диагностики атеросклероза основаны на применении ядерной, оптической, ультразвуковой и механической биофизики. Среди них:
Математическое моделирование на основе уравнений Навье–Стокса, реакции-диффузии и механики сплошных сред позволяет воссоздавать динамику формирования бляшки, прогнозировать её рост и вероятность осложнений. Эти модели интегрируют данные о сдвиговом напряжении, концентрациях липидов, клеточной миграции и ремоделировании ткани.
Всё вышеперечисленное демонстрирует, что атеросклероз — это не просто медицинская патология, а сложное биофизическое явление, охватывающее процессы на всех уровнях организации: от молекулярной структуры до гемодинамических закономерностей кровотока.