Слишком высокий или слишком низкий уровень калия может привести к летальному исходу. Новая математическая модель проливает свет на зачастую загадочные способы регулирования организмом этого важного электролита.

Калий, распространенный минерал, содержащийся в таких продуктах питания, как бананы и листовая зелень, необходим для нормального функционирования клеток. Он помогает правильно работать сердечной мышце и способствует передаче электрических сигналов внутри клеток.

Используя существующие биологические данные, исследователи из Университета Ватерлоо построили математическую модель, которая имитирует, как организм среднестатистического человека регулирует калий, как во время его истощения, так и во время его поступления в организм. Поскольку многие продукты питания содержат большое количество калия, наш организм постоянно накапливает, распределяет и утилизирует калий для поддержания здорового уровня - процесс, известный как поддержание гомеостаза калия. Понимание гомеостаза калия необходимо для диагностики источника проблемы, когда что-то идет не так - например, когда болезнь почек или прием лекарств приводит к дисрегуляции.

"Слишком много калия в организме, или гиперкалиемия, может быть так же опасна, как и гипокалиемия, или слишком мало", - говорит Мелисса М. Штадт, аспирант кафедры прикладной математики и ведущий автор исследования. "Дисрегуляция калия может привести к опасным и потенциально смертельным последствиям".

Модель может быть использована для виртуального исследования пациентов, позволяя исследователям генерировать десятки пациентов, а затем предсказывать, у кого из них будет гипер- или гипокалиемия на основе различных контрольных показателей.

"Многие наши модели - это части общей картины", - сказала Анита Лейтон, профессор прикладной математики и заведующая кафедрой математической биологии и медицины Канады 150. "Эта модель - одна из новых и интересных частей, помогающих нам понять, как работают наши невероятно сложные внутренние системы".

Модель особенно интересна тем, что она позволяет ученым проверить так называемую гипотезу о перекрестном сигнале между мышцами и почками. Ученые предположили, что скелетные мышцы, которые отвечают за большую часть запасов калия в организме, могут напрямую сигнализировать почкам о том, что пора выводить избыток калия, когда его накопилось слишком много, и наоборот. Когда математики проверили гипотезу на своей модели, она более точно отразила существующие биологические данные о гомеостазе калия, что позволяет предположить, что перекрестный обмен между мышцами и почками может быть важным элементом в головоломке регуляции калия.

Исследование было опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.