Røde blodlegemers komplekse rejse gennem mikrovaskulære netværk

Hvis du tænker på menneskekroppen, mikrovaskulære netværk bestående af de mindste blodkar er en central del af kroppens funktion. De letter udvekslingen af ​​essentielle næringsstoffer og gasser mellem blodstrømmen og omgivende væv, samt regulere blodgennemstrømningen i de enkelte organer.

Mens blodcellernes adfærd flyder inden for single, lige kar er et velkendt problem, man ved mindre om de individuelle begivenheder i cellulær skala, der giver anledning til blodadfærd i mikrovaskulære netværk. For bedre at forstå dette, forskerne Peter Balogh og Prosenjit Bagchi offentliggjorde en nylig undersøgelse i Biofysisk tidsskrift . Bagchi er bosat i afdelingen for mekanik og rumfartsteknik ved Rutgers University, og Balogh er hans ph.d. -studerende.

Til forskernes viden, deres er det første arbejde med at simulere og studere røde blodlegemer, der strømmer i fysiologisk realistiske mikrovaskulære netværk, fanger både den meget komplekse vaskulære arkitektur samt 3D -deformation og dynamik for hver enkelt rød blodcelle.

Balogh og Bagchi udviklede og brugte en state-of-the-art simuleringskode til at studere røde blodlegemers adfærd, når de flyder og deformeres gennem mikrovaskulære netværk. Koden simulerer 3D-flows inden for komplekse geometrier, og kan modellere deformerbare celler, såsom røde blodlegemer, såvel som stive partikler, såsom inaktiverede blodplader eller nogle lægemiddelpartikler.

"Vores forskning i mikrovaskulære netværk er vigtig, fordi disse kar giver en meget stærk modstand mod blodgennemstrømning, "sagde Bagchi." Hvor meget energi hjertet har brug for til at pumpe blod, for eksempel, bestemmes af disse blodkar. Ud over, det er her, mange blodsygdomme slår rod. For eksempel, for en person med seglcelleanæmi, det er her, de røde blodlegemer sidder fast og forårsager enorme smerter. "

Et af papirets fund involverer interaktionen mellem røde blodlegemer og vaskulaturen i de regioner, hvor fartøjer bifurkerer. De observerede, at når røde blodlegemer strømmer gennem disse vaskulære bifurkationer, de jamrer ofte i meget korte perioder, før de fortsætter nedstrøms. Sådan adfærd kan medføre, at den vaskulære modstand i de berørte kar stiger, midlertidigt, af flere størrelsesordener.

Der har været mange forsøg på at forstå blodgennemstrømningen i mikrovaskulære netværk helt tilbage til 1800-tallet, og fransk læge og fysiolog, Jean-Louis-Marie Poiseuille, hvis interesse for blodets cirkulation førte til, at han udførte en række eksperimenter med strømmen af ​​væsker i smalle rør. Han formulerede også et matematisk udtryk for den ikke-turbulente strøm af væsker i cirkulære rør.

Opdatering af denne forskning, Balogh og Bagchi bruger beregning til at forbedre forståelsen af ​​blodgennemstrømning i disse netværk. Ligesom mange andre grupper, de modellerede oprindeligt kapillære blodkar som små, lige rør og forudsagde deres adfærd.

"Men hvis man ser på de kapillærlignende kar under mikroskopet, de er ikke lige rør ... de er meget snoede og deler sig kontinuerligt og smelter sammen med hinanden, " sagde Bagchi. "Vi indså, at ingen andre havde et beregningsværktøj til at forudsige strømmen af ​​blodceller i disse fysiologisk realistiske netværk."

"Dette er den første undersøgelse til at overveje den komplekse netværksgeometri i 3D og samtidig løse celledetaljerne i 3D, "Sagde Balogh." Et af de underliggende mål er at bedre forstå, hvad der sker i disse meget små fartøjer i disse komplekse geometrier. Vi håber, at vi ved at kunne modellere dette næste detaljeringsniveau kan føje til vores forståelse af, hvad der faktisk sker på niveau med disse meget små fartøjer. "

Med hensyn til kræftforskning, denne model kan have enorme konsekvenser. "Denne kode er kun begyndelsen på noget virkelig stort, "Sagde Bagchi.

På det medicinske område i dag, der er avancerede billeddannelsessystemer, der forestiller kapillærnetværket af blodkar, men det er nogle gange svært for disse billeddannelsessystemer at forudsige blodgennemstrømningen i hvert kar samtidigt. "Nu, vi kan tage de billeder, sætte dem ind i vores beregningsmodel, og forudsige selv bevægelsen af ​​hver blodcelle i hvert kapillarkar, der er i billedet, " sagde Bagchi.

Dette er en kæmpe fordel, fordi forskerne kan se, om vævet får nok ilt eller ej. I kræftforskning, angiogenese-den fysiologiske proces, hvorigennem nye blodkar dannes fra allerede eksisterende fartøjer-er afhængig af, at vævet får nok ilt.

Teamet arbejder også på at modellere målrettet lægemiddellevering, især for kræft. I denne tilgang bruges nanopartikler til at transportere lægemidler og målrette mod den specifikke placering af sygdommen. For eksempel, hvis nogen har kræft i leveren eller bugspytkirtlen, så er de specifikke organer målrettet. Målrettet levering af lægemidler tillader øget dosis af lægemidlet, så andre organer ikke bliver beskadiget, og bivirkningerne minimeres.

"Størrelsen og formen af ​​disse nanopartikler bestemmer effektiviteten af, hvordan de transporteres gennem blodkarrene, "Bagchi sagde." Vi tror, ​​at arkitekturen i disse kapillærnetværk vil bestemme, hvor godt disse partikler leveres. Arkitekturen varierer fra orgel til orgel. Den beregningskode, vi udviklede, hjælper os med at forstå, hvordan arkitekturen af ​​disse kapillarnetværk påvirker transporten af ​​disse nanopartikler i forskellige organer."

Denne forskning brugte beregningssimuleringer til at besvare spørgsmål som:Hvor præcist kan en forsker fange detaljerne i hver blodcelle i komplekse geometrier? Hvordan kan dette opnås i 3D? Hvordan tager du højde for de mange interaktioner mellem disse blodlegemer og kar?

"For at gøre dette, vi har brug for store computerressourcer, " sagde Bagchi. "Min gruppe har arbejdet på dette problem ved hjælp af XSEDE-ressourcer fra Texas Advanced Computing Center. Vi brugte Stampede1 til at udvikle vores simuleringsteknik, og snart flytter vi til Stampede2, fordi vi laver endnu større simuleringer. Vi bruger Ranch til at gemme terabyte af vores simuleringsdata. "

EXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) er en National Science Foundation-finansieret virtuel organisation, der integrerer og koordinerer deling af avancerede digitale tjenester-herunder supercomputere og avancerede visualiserings- og dataanalyseressourcer-med forskere nationalt for at støtte videnskab. Stampede1, Stampede2, og Ranch er XSEDE-allokerede ressourcer.

Simuleringerne rapporteret i avisen tog et par uger med kontinuerlig simulering og resulterede i terabyte data.

Med hensyn til hvordan denne forskning vil hjælpe det medicinske samfund, Bagchi sagde:"Baseret på et billede af kapillære blodkar i en tumor, vi kan simulere det i 3D og forudsige fordelingen af ​​blodgennemstrømning og nanopartikelmedicin inde i tumorvaskulaturen, og, måske, bestemme den optimale størrelse, form og andre egenskaber ved nanopartikler til den mest effektive levering, "Sagde Bagchi." Det er noget, vi vil se på i fremtiden. "