Als je aan het menselijk lichaam denkt, microvasculaire netwerken bestaande uit de kleinste bloedvaten vormen een centraal onderdeel van de lichaamsfunctie. Ze vergemakkelijken de uitwisseling van essentiële voedingsstoffen en gassen tussen de bloedbaan en de omliggende weefsels, evenals het reguleren van de bloedstroom in individuele organen.

Terwijl het gedrag van bloedcellen die naar binnen stromen, rechte schepen is een bekend probleem, er is minder bekend over de individuele gebeurtenissen op celschaal die aanleiding geven tot bloedgedrag in microvasculaire netwerken. Om dit beter te begrijpen, onderzoekers Peter Balogh en Prosenjit Bagchi publiceerden een recente studie in de Biofysisch tijdschrift . Bagchi is werkzaam op de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Rutgers University, en Balogh is zijn promovendus.

Voor zover de onderzoekers weten, hun werk is het eerste werk om rode bloedcellen te simuleren en te bestuderen die in fysiologisch realistische microvasculaire netwerken stromen, het vastleggen van zowel de zeer complexe vasculaire architectuur als de 3D-vervorming en dynamiek van elke individuele rode bloedcel.

Balogh en Bagchi ontwikkelden en gebruikten een ultramoderne simulatiecode om het gedrag van rode bloedcellen te bestuderen terwijl ze door microvasculaire netwerken stromen en vervormen. De code simuleert 3D-stromen binnen complexe geometrieën, en kan vervormbare cellen modelleren, zoals rode bloedcellen, evenals harde deeltjes, zoals geïnactiveerde bloedplaatjes of sommige geneesmiddeldeeltjes.

"Ons onderzoek naar microvasculaire netwerken is belangrijk omdat deze bloedvaten een zeer sterke weerstand bieden tegen de bloedstroom, "zei Bagchi. "Hoeveel energie heeft het hart nodig om bloed rond te pompen, bijvoorbeeld, wordt bepaald door deze bloedvaten. In aanvulling, dit is waar veel bloedziekten wortel schieten. Bijvoorbeeld, voor iemand met sikkelcelanemie, dit is waar de rode bloedcellen vast komen te zitten en enorme pijn veroorzaken."

Een van de bevindingen van het artikel betreft de interactie tussen rode bloedcellen en het vaatstelsel in de gebieden waar bloedvaten zich splitsen. Ze merkten op dat wanneer rode bloedcellen door deze vasculaire vertakkingen stromen, ze lopen vaak vast voor zeer korte perioden voordat ze stroomafwaarts gaan. Dergelijk gedrag kan ervoor zorgen dat de vaatweerstand in de aangetaste bloedvaten toeneemt, tijdelijk, met verschillende ordes van grootte.

Er zijn veel pogingen gedaan om de bloedstroom in microvasculaire netwerken te begrijpen die teruggaan tot de jaren 1800 en de Franse arts en fysioloog, Jean-Louis-Marie Poiseuille, wiens interesse in de bloedsomloop hem ertoe bracht een reeks experimenten uit te voeren met de stroom van vloeistoffen in nauwe buizen. Hij formuleerde ook een wiskundige uitdrukking voor de niet-turbulente stroming van vloeistoffen in cirkelvormige buizen.

Bijwerken van dit onderzoek, Balogh en Bagchi gebruiken berekeningen om het begrip van de bloedstroom in deze netwerken te vergroten. Net als veel andere groepen, oorspronkelijk modelleerden ze capillaire bloedvaten als kleine, rechte buizen en voorspelde hun gedrag.

"Maar als je de capillairachtige vaten onder de microscoop bekijkt, het zijn geen rechte buizen ... ze zijn erg kronkelend en continu splitsen en versmelten met elkaar, " zei Bagchi. "We realiseerden ons dat niemand anders een rekenhulpmiddel had om de stroom van bloedcellen in deze fysiologisch realistische netwerken te voorspellen."

"Dit is de eerste studie die de complexe netwerkgeometrie in 3D beschouwt en tegelijkertijd de celdetails in 3D oplost, " zei Balogh. "Een van de onderliggende doelen is om beter te begrijpen wat er gebeurt in deze zeer kleine vaten in deze complexe geometrieën. We hopen dat we, door dit volgende detailniveau te kunnen modelleren, ons begrip kunnen vergroten van wat er werkelijk gebeurt op het niveau van deze zeer kleine schepen."

Op het gebied van kankeronderzoek dit model kan enorme implicaties hebben. "Deze code is nog maar het begin van iets heel groots, ' zei Bagchi.

In de medische wereld van vandaag, er zijn geavanceerde beeldvormingssystemen die het capillaire netwerk van bloedvaten in beeld brengen, maar het is soms moeilijk voor die beeldvormingssystemen om de bloedstroom in elk vat tegelijkertijd te voorspellen. "Nutsvoorzieningen, we kunnen die beelden maken, zet ze in ons rekenmodel, en zelfs de beweging van elke bloedcel in elk capillair vat dat in het beeld is te voorspellen, ' zei Bagchi.

Dit is een enorm voordeel omdat de onderzoekers kunnen zien of het weefsel voldoende zuurstof krijgt of niet. Bij kankeronderzoek angiogenese - het fysiologische proces waardoor nieuwe bloedvaten worden gevormd uit reeds bestaande bloedvaten - is afhankelijk van het weefsel dat voldoende zuurstof krijgt.

Het team werkt ook aan het modelleren van gerichte medicijnafgifte, vooral voor kanker. In deze benadering worden nanodeeltjes gebruikt om medicijnen te vervoeren en zich te richten op de specifieke locatie van de ziekte. Bijvoorbeeld, als iemand kanker in de lever of alvleesklier heeft, dan zijn die specifieke organen het doelwit. Gerichte medicijnafgifte maakt een verhoogde dosis van het medicijn mogelijk, zodat andere organen niet beschadigd raken en de bijwerkingen worden geminimaliseerd.

"De grootte en vorm van deze nanodeeltjes bepalen de efficiëntie van hoe ze door de bloedvaten worden getransporteerd, " zei Bagchi. "We denken dat de architectuur van deze capillaire netwerken zal bepalen hoe goed deze deeltjes worden afgeleverd. De architectuur verschilt van orgel tot orgel. De computationele code die we hebben ontwikkeld, helpt ons te begrijpen hoe de architectuur van deze capillaire netwerken het transport van deze nanodeeltjes in verschillende organen beïnvloedt."

Dit onderzoek maakte gebruik van computersimulaties om vragen te beantwoorden als:Hoe nauwkeurig kan een onderzoeker de details van elke bloedcel in complexe geometrieën vastleggen? Hoe kan dat in 3D? Hoe houd je rekening met de vele interacties tussen deze bloedcellen en bloedvaten?

"Om dit te doen, we hebben grote computerbronnen nodig, " zei Bagchi. "Mijn groep heeft aan dit probleem gewerkt met behulp van XSEDE-bronnen van het Texas Advanced Computing Center. We hebben Stampede1 gebruikt om onze simulatietechniek te ontwikkelen, en binnenkort verhuizen we naar Stampede2 omdat we nog grotere simulaties gaan doen. We gebruiken Ranch om terabytes van onze simulatiegegevens op te slaan."

De eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) is een door de National Science Foundation gefinancierde virtuele organisatie die het delen van geavanceerde digitale diensten, waaronder supercomputers en hoogwaardige hulpmiddelen voor visualisatie en gegevensanalyse, integreert en coördineert met nationale onderzoekers om de wetenschap te ondersteunen. Stormloop1, Stampede2, en Ranch zijn door XSEDE toegewezen middelen.

De simulaties die in de krant worden vermeld, namen een paar weken continue simulatie in beslag en resulteerden in terabytes aan gegevens.

In termen van hoe dit onderzoek de medische gemeenschap zal helpen, Bagchi zei:"Op basis van een afbeelding van capillaire bloedvaten in een tumor, we kunnen het in 3D simuleren en de verdeling van de bloedstroom en nanodeeltjesgeneesmiddelen in de tumorvasculatuur voorspellen, en, misschien, bepaal de optimale maat, vorm en andere eigenschappen van nanodeeltjes voor de meest effectieve levering, "Zei Bagchi. "Dit is iets waar we in de toekomst naar zullen kijken."