Сергей Панюков из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и МФТИ предложил новый физический подход к описанию образования фибриновой сети — ключевого компонента кровяного тромба. Вместо громоздких кинетических моделей, требующих множества подгонок, он представил элегантную теорию, рассматривающую полимеризацию фибрина как динамический фазовый переход. На её основе выведены аналитические формулы, позволяющие предсказывать, как исходные концентрации фибриногена и тромбина влияют на структуру и механические свойства образующегося сгустка. Результаты, поддержанные грантом Российского научного фонда № 25-23-00139, опубликованы в Physical Review E.
При повреждении сосуда в организме запускается каскад гемостатических реакций, цель которых — сформировать прочный, но эластичный «барьер» из фибрина. Этот белок самоорганизуется в трёхмерную сеть, напоминающую микроскопическую паутину, способную улавливать клетки крови и останавливать кровотечение. Полимеризация фибрина лежит в основе заживления ран и широко применяется в биомедицинских технологиях, например, при создании фибриновых клеев и каркасов для тканевой инженерии.
До сих пор не существовало единой физической модели, способной надёжно прогнозировать, будет ли фибриновая сеть рыхлой и пористой или плотной и жёсткой при заданных условиях. Традиционные подходы, основанные на системах ОДУ химической кинетики, отличаются высокой сложностью, большим числом настраиваемых параметров и неспособностью описывать пространственную архитектуру сети — такие характеристики, как толщина и длина волокон.
В своей работе Панюков применил методы физики полимеров и теорию фазовых переходов, сосредоточившись на универсальных скейлинговых законах. Такой подход позволяет абстрагироваться от мелких химических деталей и получить аналитические зависимости, связывающие макроскопические свойства системы с микроскопическими параметрами без подгонки.
Процесс начинается с преобразования растворимого фибриногена в фибриновые мономеры под действием тромбина. Мономеры обладают «шипами» (knobs) и «гнёздами» (holes), которые обеспечивают их взаимное сцепление.
Сначала мономеры образуют тонкие линейные протофиbrиллы и разветвлённые кластеры. Затем эти структуры агрегируются в более толстые волокна, которые переплетаются между собой, формируя единую сеть.
Ключевая идея теории — трактовать сборку как динамический фазовый переход, аналогичный замерзанию воды или намагничиванию. Управляющим параметром выступает безразмерная величина β(t), зависящая от времени и концентраций реагентов. Полимеризация активируется при достижении β критического порога, после чего система лавинообразно переходит в гелеобразное состояние.
Модель показывает, что соотношение фибриногена и тромбина решает архитектуру сети. При низкой концентрации тромбина протофиbrиллы растут длинными, образуя толстые волокна и крупноячеистую, рыхлую структуру. При высоком уровне тромбина мономеры появляются быстро, формируя многочисленные короткие тонкие нити, из которых складывается плотная мелкоячеистая сеть. Эти предсказания подтверждены экспериментально и объясняют, почему для быстродействующего фибринового клея используют повышенные концентрации обоих компонентов.
Сергей Панюков, доцент кафедры теоретической физики МФТИ: «Вместо учёта каждой химической реакции я сосредоточился на универсальных принципах самоорганизации. Рассмотрение полимеризации как динамического фазового перехода позволило отбросить множество деталей и вывести формулы, связывающие начальные условия с конечной структурой, аналогично тому, как термодинамика предсказывает точку кипения воды».
Главная ценность работы — переход от сложных кинетических схем к обобщённой физической теории, что обеспечивает мощную предсказательную силу и глубокое понимание механизмов биологической самоорганизации. Панюков проанализировал многочисленные экспериментальные данные при разных концентрациях компонентов и убедился, что они укладываются в одну универсальную кривую в специальных «скейлинговых» координатах.
Практическое значение исследования сложно переоценить. В медицине это открывает возможности для точного управления тромбообразованием, важного при лечении тромбозов и разработке гемостатических препаратов. В тканевой инженерии теория помогает создавать фибриновые матрицы с заданной пористостью, жёсткостью и проницаемостью, что критично для роста клеток и формирования тканей.
Дальнейшие направления включают углублённый анализ кинетики перехода протофиbrилл в волокна и адаптацию скейлингового подхода к другим системам биологической самоорганизации.
Научная статья: S. Panyukov. Scaling theory of fibrin polymerization. Physical Review E 110, L062501 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.L062501.
