Un grupo de biofísicos, incluidos representantes de MIPT, han desarrollado un modelo matemático de formación de trombos arteriales, que es la principal causa de ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares. Los científicos describieron el proceso de agregación plaquetaria como similar al popular videojuego Tetrisy ecuaciones derivadas que les permitieron reproducir el proceso ondulatorio de la formación de agregados plaquetarios en un vaso sanguíneo.
Investigadores del Centro Federal de Investigación y Clínica Dmitry Rogachev de Hematología, Oncología e Inmunología Pediátrica FRCC PHOI, el Centro de Problemas Teóricos de Farmacología Físico-Química, MIPT, Universidad Estatal de Moscú, el Instituto de Problemas de Ingeniería Mecánica StPetersburgo, y la Universidad Libre de Berlín describió el nuevo modelo en la revista PLOS UNO . Al discutir el desarrollo del modelo y los miembros del equipo de investigación, Mikhail Panteleev, uno de los autores de la publicación, dijo :
"Fazly Ataullakhanov y yo formulamos el problema y establecimos la ecuación, y Evgenia Babushkina, bajo la guía de su maestra Nikolay Bessonov, desarrolló métodos de solución en el caso bidimensional teniendo en cuenta la hidrodinámica del flujo en el que se encuentra el tromboella misma realizó todos los cálculos; Fazly y yo somos profesores del Departamento de Medicina Traslacional y Regenerativa de la Facultad de Física Biológica y Médica de MIPT, con sede en FRCC PHOI trabajamos en muchos lugares diferentes ..."
Mirar la formación de trombos de la misma manera que las fichas se apilan en el clásico videojuego Tetris es un aspecto clave del nuevo modelo. En Tetris, las fichas caen sobre una superficie plana o se adhieren a las partes que se peganfuera del resto del bloque. La única diferencia entre la formación de trombos y el juego es que cuando una capa se completa, no desaparece, por lo tanto, a medida que pasa el tiempo, un trombo es capaz de obstruir el espacio en el que se encuentra. Además, ellas formas descendentes son siempre las mismas: el modelo describe la agregación de trombocitos, células sanguíneas especializadas.
Habiendo descrito el proceso matemático de cómo se llenan las áreas vacías en la superficie de un trombo en crecimiento, los científicos pudieron construir primero un modelo unidimensional como en Tetris, y luego un modelo bidimensional se depositan los trombocitosen un plano dimensional. Y en un momento, los científicos comenzaron a considerar ciertos trombocitos como adimensionales, y el trombo mismo como continuo; en otras palabras, los científicos pasaron de un modelo discreto a un modelo continuo.
Modelo discreto: el sistema en estudio consta de partículas individuales, y el comportamiento de cada partícula puede rastrearse individualmente. Esto permite simular, por ejemplo, moléculas de gas en el problema del movimiento browniano, representando cada molécula como unpartícula que colisiona con una partícula más grande.
Modelo continuo: el sistema en estudio consta de objetos sólidos que pueden cambiar libremente su tamaño o cualquier otra característica. Esto puede usarse para modelar el aumento de temperatura en una caldera en funcionamiento, por ejemplo: la salida será el campo de temperatura en el volumenbajo estudio.
La solución secuencial de las ecuaciones obtenidas permitió a los investigadores reproducir la dinámica del crecimiento de un trombo real y estudiar su comportamiento en diversas condiciones, por ejemplo, en el caso de daños en la pared vascular.
medios activos y autowaves
En su artículo, los investigadores enfatizan que el proceso de formación de trombos se asemeja a una onda viajera, y esta similitud no es en absoluto accidental. Previamente demostraron que el proceso de formación de trombos es como un tejido automático: la sangre, que transporta plaquetas sanguíneasy una serie de proteínas especiales para la coagulación de la sangre, es un medio activo. En ese momento, la conclusión extraída por los investigadores se refería a la coagulación de la sangre como resultado de una cascada de reacciones bioquímicas que involucran proteínas, pero también es posible hablar de unmedio activo en el caso de plaquetas adheridas.
El término "medio activo" desempeña un papel clave en la dinámica no lineal: la ciencia del modelado matemático de una amplia gama de sistemas, desde mezclas de productos químicos interactivos y láseres hasta incendios forestales e incluso redes sociales. La forma más fácil dedescribir un medio activo es usar el ejemplo de un incendio forestal: cada árbol seco no es simplemente un objeto pasivo como una molécula, sino una fuente potencial de energía térmica. Si hay un incendio cerca de un árbol seco, también comenzarápara quemar y proporcionar más calor, que luego puede encender otros árboles. La capacidad de los elementos en el sistema para liberar energía es una característica clave de un medio activo.
En medios activos, un evento local un rayo que golpea un árbol, por ejemplo puede iniciar un proceso de transición en un sistema de un estado a otro en este caso, un árbol seco se convierte en un árbol en llamas. Este proceso se propaga como una ola enel espacio y la naturaleza física específica del sistema no es tan importante; la misma ecuación puede usarse para describir casos completamente diferentes. El término "autowave" significa que el proceso de propagación de ondas no es pasivo, como en el caso de ondas sísmicas que viajan desde unepicentro del terremoto, pero activo: en cada punto la ola recibe más energía. En el caso de la formación de trombos, en lugar de árboles secos y ardientes, debemos pensar en las plaquetas que fluyen en el plasma sanguíneo. Estas plaquetas pueden ir de un flujo libreestado a un estado depositado.
Trombi: esencial, pero también peligroso
Los trombocitos plaquetas sanguíneas juegan un papel importante en la formación de trombos, que bloquean los vasos sanguíneos de los coágulos. En circunstancias normales, fluyen libremente en el torrente sanguíneo, pero si la pared vascular se daña, comienzan a adherirse entre sí ya la pared vascular; además de esto, la sangre también contiene muchas proteínas necesarias para la formación de trombos. Incluso si no hay plaquetas, las reacciones con estas proteínas pueden ayudar a formar un coágulo para bloquear un vaso dañado y estas reacciones también ocurren enla forma de autowaves. Normalmente, los trombos evitan la pérdida de sangre en el cuerpo humano cuando un vaso sanguíneo se ha dañado. Sin embargo, a veces, la formación de trombos no se produce como resultado de una lesión con daño a un vaso sanguíneo, sino como resultado de unreacción a un proceso patológico, como la acumulación de placa grasa dentro de una arteria en casos de aterosclerosis.Este tipo de formación de trombos puede bloquear completamente un vaso y cortar el suministro de sangre a los tejidos y / oGans: esto a su vez puede provocar infarto de miocardio bloqueo de las arterias al corazón, accidente cerebrovascular bloqueo de las arterias que suministran sangre al cerebro o gangrena de las extremidades.El nuevo modelo describe correctamente la formación de trombos arteriales: estos trombos particulares consisten principalmente en plaquetas;Las proteínas de la sangre juegan un papel relativamente pequeño en el proceso.
Perspectivas
Mikhail Panteleev también le dijo al servicio de prensa de MIPT sobre las perspectivas de estudiar los trombos y por qué los investigadores optaron por examinar las arterias, en lugar de los trombos venosos o el proceso de coagulación de la sangre en los capilares: estamos trabajando en varios temas en el campo de la hemostasia:- el proceso "fisiológico" de coagulación de heridas, así como de coágulos de sangre venosa y arterial. Los coágulos de sangre arterial en particular son muy interesantes. Y también la importancia social ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares isquémicos, y mecanismos complejos las proteínas de la sangre también juegan un papel clavepapel aquí que no se entiende completamente. Sin embargo, siempre hemos tenido dificultades para trabajar con coágulos de sangre arterial en particular, en términos de desarrollo e implementación de modelos informáticos, porque el tema involucra una combinación muy difícil de mecánica archivos adjuntos celulares, hidrodinámica congeometría variable y bioquímica. No existe un programa de software estándar que pueda abordar adecuadamente el problema.
en nuestro artículo en PLOS UNO , tratamos de utilizar la descripción más primitiva de un trombo como medio continuo, en lugar de partículas discretas. Esta aproximación es aproximada en muchos aspectos y limita el alcance de la investigación, pero puede darnos algunos patrones comunesPor un lado, planeamos continuar aplicándolo a tareas específicas, en la medida de lo posible, y por otro lado, estamos desarrollando modelos más sofisticados y avanzados con células sanguíneas tridimensionales, la mecánica completa de su interacción.y la bioquímica adecuada. Esto se hará solo en supercomputadoras, por supuesto. Otro aspecto es el "interior" de un trombocito, el modelado de la señalización intracelular, las oscilaciones de calcio y el colapso de las mitocondrias en los trombocitos. Este tema se ha abordado en variosde artículos que ya se han publicado, incluido un artículo muy reciente en Molecular BioSystems. Con el tiempo, espero que todos estos proyectos se fusionen en un modelo de formación de trombos a escala completa.
Para comprender la importancia social del problema descrito por Mikhail Panteleev, debe tenerse en cuenta que cada día alrededor de 1000 personas en Rusia sufren un derrame cerebral y de los que sobreviven, 2 de cada 3 quedan con una discapacidad. Contrariamente a lo popularla creencia, los accidentes cerebrovasculares no solo afectan a los ancianos, sino también a las personas menores de 45 años, en aproximadamente 1 de cada 8 casos. Los signos de un accidente cerebrovascular incluyen parálisis parcial y un inicio repentino de debilidad. En varios casos, los síntomas, queincluir un discurso arrastrado y una marcha asombrosa, puede hacer que parezca que la víctima está bajo la influencia del alcohol: este error de juicio podría costar la vida de las víctimas de un accidente cerebrovascular agudo.
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Materiales proporcionados por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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