蛋白質(zhì)聚集過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著檢測(cè)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，檢測(cè)的對(duì)象已經(jīng)從傳統(tǒng)的檢測(cè)領(lǐng)域延伸到圖像、化學(xué)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域，在生物制藥、食品、化工等領(lǐng)域，蛋白質(zhì)聚集現(xiàn)象是普遍存在的。對(duì)它動(dòng)態(tài)的聚集過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)他的研究將對(duì)生物藥中蛋白質(zhì)聚集導(dǎo)致藥效的降低、是否引起免疫應(yīng)答、相關(guān)的毒理學(xué)效應(yīng)、藥的保質(zhì)期等研究都有著重要的意義。
　　目前蛋白質(zhì)的聚集過(guò)程主要依賴于經(jīng)驗(yàn)公式、質(zhì)量作用定律、相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)其聚集結(jié)果。若能在生產(chǎn)中不斷

2、地控制初始條件，加上對(duì)中間結(jié)果的檢測(cè)來(lái)修正初始條件，這樣的閉環(huán)控制就能盡最大可能防止蛋白質(zhì)的聚集。如何控制初始條件？聚集過(guò)程中哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)更能有效地來(lái)修正初始條件？都要依賴于聚集過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程。目前的聚集動(dòng)力學(xué)方程的模型都是假定:1蛋白質(zhì)是某一形貌，如:球狀、桿狀等簡(jiǎn)單的幾何形狀;2在假定某種形貌的基礎(chǔ)上，計(jì)算聚集體的尺寸。3聚集過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)的，它包含成核、聚集、生長(zhǎng)和解聚行為，在前兩個(gè)基礎(chǔ)上，再對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，即獲得方程的初始條件

3、。這無(wú)疑缺少普適性，蛋白質(zhì)的形貌是復(fù)雜的，甚至是變化的。
　　本文采用了分形維來(lái)描述和表達(dá)聚集體的形貌，而不是假定某一幾何形貌，以此建立了新的聚集體動(dòng)力學(xué)模型，這一模型可以同時(shí)反映出聚集體的尺寸和分形維兩個(gè)特征。增加了使用的普適性。同時(shí)對(duì)模型的初始條件，即模型參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)和辨識(shí)。并用仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證工作。并給出了較滿意的結(jié)果。
　　本文的主要工作可歸納如下:
　　1.采用分形理論和群體粒子衡算方程(Popul

4、ation Balance Equation，PBE)，提出了描述蛋白質(zhì)聚集過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了動(dòng)力學(xué)模型的增長(zhǎng)函數(shù)和成核函數(shù)。并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)尺寸模擬、動(dòng)態(tài)分形維模擬。該模型可以同時(shí)給出蛋白質(zhì)聚集體的尺寸和分形維兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)尺寸。針對(duì)聚集體尺寸和分形維的計(jì)算中存在的問(wèn)題，應(yīng)用有限元蓋拉金法編制了計(jì)算機(jī)軟件求解了動(dòng)力學(xué)方程。
　　2.在閉環(huán)控制中，要不停修正初始條件即模型參數(shù)。在模型參數(shù)的辨識(shí)過(guò)程中，提出了一種

5、新的基于K-L信息距離的蛋白質(zhì)聚集過(guò)程模型參數(shù)辨識(shí)方法。通過(guò)優(yōu)化算法，給出了蛋白質(zhì)聚集過(guò)程的初始條件和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)，該方法將指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并選擇了具有普適性意義溶菌酶的聚集實(shí)驗(yàn)。
　　3.將上述方法應(yīng)用于溶菌酶的聚集過(guò)程控制，利用參數(shù)辨識(shí)給出的初始條件、時(shí)間檢測(cè)點(diǎn)，分別應(yīng)用激光粒度儀和密度計(jì)測(cè)定溶菌酶冷卻聚集過(guò)程中尺寸和濃度變化的一般規(guī)律。根據(jù)這些變化規(guī)律，精確擬合聚集動(dòng)力學(xué)參數(shù)的基于尺寸和濃度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)證明

6、，采用分形理論和PBE方程提出描述蛋白質(zhì)聚集過(guò)程的仿真動(dòng)力學(xué)模型可以有效預(yù)測(cè)聚集體形貌及其分布。
　　4.針對(duì)聚集過(guò)程中難以測(cè)量存在的宏觀聚集現(xiàn)象，研究了大尺寸分形維測(cè)量問(wèn)題。以不同稀釋條件的添加凝乳酶牛奶溶液為實(shí)驗(yàn)材料，提出了一種基于PBE模擬模型的致密聚集體分形維測(cè)量新方法，方法在不建立聚集體互相關(guān)函數(shù)的情況下，測(cè)量了蛋白質(zhì)聚集體大尺寸分形維。
　　5.建立蛋白質(zhì)聚集體過(guò)程測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)驗(yàn)證了論文中所提出的的觀點(diǎn)，利用