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红血细胞通过微血管网络的复杂旅程

文章出处:未知 责任编辑:PD-1编辑方 作者:PD-1编辑方 发表时间:2018-03-16 14:43

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如果你想到人体,由最小的血管组成的微血管网络是人体功能的核心部分。它们促进血流和周围组织之间必需的营养物质和气体的交换,并调节个体器官的血流量。

虽然血管在单个直管内流动的行为是一个众所周知的问题,但对于在微血管网络中引起血液行为的单个细胞尺度事件知之甚少。为了更好地理解这一点,研究人员Peter Balogh和Prosenjit Bagchi在“ 生物物理学杂志”上发表了一项最近的研究。巴奇住在罗格斯大学机械和航空航天工程系,而Balogh是他的博士生。

对于研究人员的知识,他们是第一个模拟和研究在生理上真实的微血管网络中流动的红细胞的工作,捕获高度复杂的血管结构以及每个红细胞的三维变形和动态。

Balogh和Bagchi开发并使用最先进的模拟代码来研究红细胞在微血管网络中流动和变形时的行为。该代码可模拟复杂几何体内的三维流动,并可模拟可变形细胞(如红细胞)以及刚性颗粒(如失活血小板或某些药物颗粒)。

“我们在微血管网络中的研究非常重要,因为这些血管对血流有非常强的抵抗力,”Bagchi说。“例如,心脏需要多少能量来抽血,是由这些血管决定的,此外,这也是许多血液疾病生根的地方,例如,对于患有镰状细胞性贫血的人来说,这是红血细胞卡住并导致巨大的痛苦。”

该论文的研究结果之一涉及血管分叉区域内红血细胞与脉管系统之间的相互作用。他们观察到,当红细胞流过这些血管分叉时,它们在进入下游之前经常会堵塞很短的时间。这种行为会导致受累血管的血管阻力暂时增加几个数量级。

已有许多尝试了解可追溯到19世纪的微血管网络中的血流,法国医生和生理学家让 - 路易 - 玛丽·波塞伊耶对血液循环的兴趣使他进行了一系列关于液体流动的实验在狭窄的管子里。他还为圆管中流体的非湍流流动提出了一个数学表达式。

更新这项研究,Balogh和Bagchi使用计算来增强对这些网络血流量的理解。像许多其他组织一样,他们最初将毛细血管模拟为小直管,并预测其行为。

“但是如果你在显微镜下观察毛细管状血管,它们不是直管......它们非常弯曲,并且不断分叉并相互融合,”Bagchi说。“我们意识到没有其他人有计算工具来预测这些生理现实网络中的血细胞流动。”

Balogh说:“这是第一个考虑3D复杂网络几何结构并同时解决3D细胞细节问题的研究。“其中一个基本目标是更好地理解这些复杂几何体系中这些非常小的血管中发生的事情,我们希望通过对下一级细节进行建模,我们可以增加对我们在层面上实际发生的事件的理解这些非常小的船只。“

就癌症研究而言,这种模式可能会产生巨大的影响。“这个代码只是一个非常大的开始,”Bagchi说。

在当今的医学领域,有先进的成像系统可以对血管的毛细血管网进行成像,但这些成像系统有时难以同时预测每个血管中的血流。“现在,我们可以把这些图像,放入我们的计算模型,甚至可以预测图像中每个毛细血管中每个血细胞的运动,”Bagchi说。

这是一个巨大的好处,因为研究人员可以看到组织是否获得了足够的氧气。在癌症研究中,血管生成 - 新血管从预先存在的血管形成的生理过程 - 取决于组织获得足够的氧气。

该团队还在研究靶向药物递送模型,特别是针对癌症的模拟。在这种方法中,纳米颗粒用于携带药物并靶向疾病的特定位置。例如,如果某人患有肝癌或胰腺癌,那么这些特定器官就成为了目标。有针对性的药物输送可以增加药物的剂量,使其他器官不会受到损伤,副作用也会降至最低。

“这些纳米粒子的大小和形状决定了它们如何通过血管运输的效率,”Bagchi说。“我们认为这些毛细血管网络的结构将决定这些颗粒的输送能力,结构因器官而异,我们开发的计算代码帮助我们理解这些毛细血管网络的结构如何影响这些纳米颗粒在不同器官中的运输。”

这项研究使用计算机模拟来回答如下问题:研究人员如何准确捕捉复杂几何体中每个血细胞的细节?这怎么能在3D中完成?你如何考虑这些血细胞和血管之间的许多相互作用?

“为了做到这一点,我们需要大量的计算资源,”Bagchi说。“我的团队一直在利用德克萨斯高级计算中心的XSEDE资源来研究这个问题,我们使用Stampede1来开发我们的模拟技术,很快我们将会转向Stampede2,因为我们将做更大的模拟,我们正在使用Ranch存储千兆字节的模拟数据。”

极限科学与工程发现环境(XSEDE)是一个美国国家科学基金会资助的虚拟组织,它整合和协调高级数字服务(包括超级计算机和高端可视化和数据分析资源)与国内研究人员共享以支持科学。Stampede1,Stampede2和Ranch是XSEDE分配的资源。

本文报告的模拟需要花费几周的时间进行连续模拟,并产生了TB级的数据。

关于这项研究将如何帮助医学界,Bagchi说:“基于肿瘤中毛细血管的图像,我们可以在3D中模拟它并预测血管和纳米颗粒药物在肿瘤血管系统内的分布,以及,也许可以确定纳米粒子的最佳尺寸,形状和其他性能,以达到最有效的递送效果,”Bagchi说。“这是我们将来要研究的内容。”

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