Om du tänker på människokroppen, mikrovaskulära nätverk som består av de minsta blodkärlen är en central del av kroppens funktion. De underlättar utbytet av viktiga näringsämnen och gaser mellan blodströmmen och omgivande vävnader, samt reglera blodflödet i enskilda organ.

Medan beteendet hos blodceller flyter inom singel, raka kärl är ett välkänt problem, mindre är känt om de enskilda cellulära händelserna som ger upphov till blodbeteende i mikrovaskulära nätverk. För att bättre förstå detta, forskarna Peter Balogh och Prosenjit Bagchi publicerade en ny studie i Biofysisk tidskrift . Bagchi bor på avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid Rutgers University, och Balogh är hans doktorand.

Till forskarnas vetskap, deras är det första arbetet med att simulera och studera röda blodkroppar som flödar i fysiologiskt realistiska mikrovaskulära nätverk, fånga både den mycket komplexa kärlarkitekturen samt 3D -deformation och dynamik för varje enskild röd blodkropp.

Balogh och Bagchi utvecklade och använde en state-of-the-art simuleringskod för att studera beteendet hos röda blodkroppar när de flödar och deformeras genom mikrovaskulära nätverk. Koden simulerar 3D -flöden inom komplexa geometrier, och kan modellera deformerbara celler, såsom röda blodkroppar, liksom styva partiklar, såsom inaktiverade trombocyter eller några läkemedelspartiklar.

"Vår forskning inom mikrovaskulära nätverk är viktig eftersom dessa kärl ger ett mycket starkt motstånd mot blodflöde, "sa Bagchi." Hur mycket energi hjärtat behöver för att pumpa blod, till exempel, bestäms av dessa blodkärl. Dessutom, det är här många blodsjukdomar slår rot. Till exempel, för någon med sicklecellanemi, det är här de röda blodkropparna fastnar och orsakar enorm smärta. "

En av tidningens fynd involverar interaktionen mellan röda blodkroppar och kärl i de regioner där kärlen bifurkar. De observerade att när röda blodkroppar flödar genom dessa vaskulära bifurkationer, de fastnar ofta under mycket korta perioder innan de fortsätter nedströms. Sådant beteende kan orsaka att kärlmotståndet i de drabbade kärlen ökar, tillfälligt, av flera storleksordningar.

Det har varit många försök att förstå blodflödet i mikrovaskulära nät som går tillbaka till 1800 -talet och fransk läkare och fysiolog, Jean-Louis-Marie Poiseuille, vars intresse för blodcirkulationen fick honom att genomföra en rad experiment på vätskeflödet i smala rör. Han formulerade också ett matematiskt uttryck för det icke-turbulenta vätskeflödet i cirkulära rör.

Uppdaterar denna forskning, Balogh och Bagchi använder beräkning för att förbättra förståelsen av blodflödet i dessa nätverk. Liksom många andra grupper, de modellerade ursprungligen kapillära blodkärl som små, raka rör och förutspådde deras beteende.

"Men om du tittar på de kapillärliknande kärlen under mikroskopet, de är inte raka rör ... de är mycket slingrande och sprider sig kontinuerligt och smälter samman med varandra, "Sa Bagchi." Vi insåg att ingen annan hade ett beräkningsverktyg för att förutsäga flödet av blodceller i dessa fysiologiskt realistiska nätverk. "

"Detta är den första studien som överväger den komplexa nätverksgeometrin i 3D och samtidigt löser celldetaljerna i 3D, "Balogh sa." Ett av de underliggande målen är att bättre förstå vad som händer i dessa mycket små fartyg i dessa komplexa geometrier. Vi hoppas att genom att kunna modellera denna nästa detaljnivå kan vi öka vår förståelse för vad som faktiskt händer på nivå med dessa mycket små fartyg. "

När det gäller cancerforskning, denna modell kan ha enorma konsekvenser. "Denna kod är bara början på något riktigt stort, Sa Bagchi.

På det medicinska området idag, det finns avancerade bildsystem som avbildar blodkärlens kapillära nätverk, men det är ibland svårt för dessa bildsystem att förutsäga blodflödet i varje kärl samtidigt. "Nu, vi kan ta dessa bilder, sätta in dem i vår beräkningsmodell, och förutsäga till och med rörelsen för varje blodcell i varje kapillärkärl som finns i bilden, Sa Bagchi.

Detta är en stor fördel eftersom forskarna kan se om vävnaden får tillräckligt med syre eller inte. Inom cancerforskning, angiogenes-den fysiologiska process genom vilken nya blodkärl bildas från redan existerande kärl-är beroende av att vävnaden får tillräckligt med syre.

Teamet arbetar också med att modellera riktad läkemedelsleverans, särskilt för cancer. I detta tillvägagångssätt används nanopartiklar för att bära läkemedel och inrikta sig på den specifika platsen för sjukdomen. Till exempel, om någon har cancer i levern eller bukspottkörteln, då är de specifika organen riktade. Riktad läkemedelsleverans tillåter ökad dos av läkemedlet så att andra organ inte skadas och biverkningarna minimeras.

"Storleken och formen på dessa nanopartiklar avgör effektiviteten för hur de transporteras genom blodkärlen, "Sa Bagchi." Vi tror att arkitekturen för dessa kapillärnät kommer att avgöra hur väl dessa partiklar levereras. Arkitekturen varierar från orgel till orgel. Den beräkningskod som vi utvecklat hjälper oss att förstå hur arkitekturen för dessa kapillärnätverk påverkar transporten av dessa nanopartiklar till olika organ. "

Denna forskning använde beräkningssimuleringar för att svara på frågor som:Hur exakt kan en forskare fånga detaljerna i varje blodkropp i komplexa geometrier? Hur kan detta uppnås i 3D? Hur tar du hänsyn till de många interaktionerna mellan dessa blodkroppar och kärl?

"För att göra detta, vi behöver stora datorresurser, "Sade Bagchi." Min grupp har arbetat med detta problem med hjälp av XSEDE -resurser från Texas Advanced Computing Center. Vi använde Stampede1 för att utveckla vår simuleringsteknik, och snart flyttar vi till Stampede2 eftersom vi kommer att göra ännu större simuleringar. Vi använder Ranch för att lagra terabyte av våra simuleringsdata. "

EXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) är en National Science Foundation-finansierad virtuell organisation som integrerar och koordinerar delning av avancerade digitala tjänster-inklusive superdatorer och avancerade visualiserings- och dataanalysresurser-med forskare nationellt för att stödja vetenskap. Stampede1, Stampede2, och Ranch är XSEDE-allokerade resurser.

Simuleringarna som rapporterades i tidningen tog några veckors kontinuerlig simulering och resulterade i terabyte med data.

När det gäller hur denna forskning kommer att hjälpa det medicinska samhället, Bagchi sa:"Baserat på en bild av kapillära blodkärl i en tumör, vi kan simulera det i 3D och förutsäga fördelningen av blodflöde och nanopartikelläkemedel inuti tumörkärl, och, kanske, bestämma den optimala storleken, form och andra egenskaper hos nanopartiklar för mest effektiv leverans, "Sade Bagchi." Detta är något vi kommer att titta på i framtiden. "