Si piensa en el cuerpo humano, las redes microvasculares compuestas por los vasos sanguíneos más pequeños son una parte central de la función del cuerpo. Facilitan el intercambio de nutrientes y gases esenciales entre el torrente sanguíneo y los tejidos circundantes, así como regulan el flujo sanguíneoen órganos individuales
Si bien el comportamiento de las células sanguíneas que fluyen dentro de vasos rectos individuales es un problema bien conocido, se sabe menos acerca de los eventos individuales a escala celular que dan lugar al comportamiento sanguíneo en las redes microvasculares. Para comprender mejor esto, los investigadores Peter Balogh y ProsenjitBagchi publicó un estudio reciente en el Revista biofísica . Bagchi reside en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Rutgers, y Balogh es su estudiante de doctorado.
Según el conocimiento de los investigadores, el suyo es el primer trabajo para simular y estudiar los glóbulos rojos que fluyen en redes microvasculares fisiológicamente realistas, capturando tanto la arquitectura vascular altamente compleja como la deformación y dinámica 3D de cada glóbulo rojo individual.
Balogh y Bagchi desarrollaron y utilizaron un código de simulación de última generación para estudiar el comportamiento de los glóbulos rojos a medida que fluyen y se deforman a través de redes microvasculares. El código simula flujos 3D dentro de geometrías complejas y puede modelar células deformables,como los glóbulos rojos, así como las partículas rígidas, como las plaquetas inactivadas o algunas partículas de drogas.
"Nuestra investigación en redes microvasculares es importante porque estos vasos proporcionan una resistencia muy fuerte al flujo sanguíneo", dijo Bagchi. "La cantidad de energía que el corazón necesita para bombear sangre, por ejemplo, está determinada por estos vasos sanguíneos. Además,Aquí es donde muchas enfermedades de la sangre echan raíces. Por ejemplo, para alguien con anemia de células falciformes, aquí es donde los glóbulos rojos se atascan y causan un dolor enorme ".
Uno de los hallazgos del artículo implica la interacción entre los glóbulos rojos y la vasculatura dentro de las regiones donde los vasos se bifurcan. Observaron que a medida que los glóbulos rojos fluyen a través de estas bifurcaciones vasculares, con frecuencia se atascan por períodos muy breves antes de proceder aguas abajo.puede hacer que la resistencia vascular en los vasos afectados aumente, temporalmente, en varios órdenes de magnitud.
Ha habido muchos intentos de comprender el flujo sanguíneo en redes microvasculares que datan de 1800 y el médico y fisiólogo francés, Jean-Louis-Marie Poiseuille, cuyo interés en la circulación de la sangre lo llevó a realizar una serie de experimentos sobre el flujode líquidos en tubos estrechos. También formuló una expresión matemática para el flujo no turbulento de fluidos en tubos circulares.
Actualizando esta investigación, Balogh y Bagchi usan la computación para mejorar la comprensión del flujo sanguíneo en estas redes. Como muchos otros grupos, originalmente modelaron los vasos sanguíneos capilares como tubos pequeños y rectos y predijeron su comportamiento.
"Pero si miras los vasos capilares bajo el microscopio, no son tubos rectos ... son muy sinuosos y se bifurcan y fusionan continuamente entre sí", dijo Bagchi. "Nos dimos cuenta de que nadie más teníauna herramienta computacional para predecir el flujo de células sanguíneas en estas redes fisiológicamente realistas "
"Este es el primer estudio que considera la geometría de red compleja en 3D y simultáneamente resuelve los detalles de la celda en 3D", dijo Balogh. "Uno de los objetivos subyacentes es comprender mejor lo que está ocurriendo en estos vasos muy pequeños en este complejogeometrías. Esperamos que al poder modelar este próximo nivel de detalle podamos aumentar nuestra comprensión de lo que realmente está ocurriendo a nivel de estos vasos muy pequeños ".
En términos de investigación sobre el cáncer, este modelo puede tener enormes implicaciones. "Este código es solo el comienzo de algo realmente grande", dijo Bagchi.
En el campo de la medicina actual, existen sistemas de imágenes avanzados que crean imágenes de la red capilar de vasos sanguíneos, pero a veces es difícil para esos sistemas de imágenes predecir el flujo sanguíneo en cada vaso simultáneamente ". Ahora, podemos tomar esas imágenes, colocarellos en nuestro modelo computacional y predicen incluso el movimiento de cada célula sanguínea en cada vaso capilar que está en la imagen ", dijo Bagchi.
Este es un gran beneficio porque los investigadores pueden ver si el tejido está recibiendo suficiente oxígeno o no. En la investigación del cáncer, la angiogénesis, el proceso fisiológico a través del cual se forman nuevos vasos sanguíneos a partir de vasos preexistentes, depende del tejidoobteniendo suficiente oxígeno.
El equipo también está trabajando en el modelado de la entrega dirigida de medicamentos, particularmente para el cáncer. En este enfoque, las nanopartículas se usan para transportar medicamentos y apuntar a la ubicación específica de la enfermedad. Por ejemplo, si alguien tiene cáncer en el hígado o el páncreas, entonces esoslos órganos específicos están dirigidos. La administración dirigida del medicamento permite una mayor dosis del medicamento para que otros órganos no se dañen y los efectos secundarios se minimicen.
"El tamaño y la forma de estas nanopartículas determinan la eficiencia de cómo se transportan a través de los vasos sanguíneos", dijo Bagchi. "Creemos que la arquitectura de estas redes capilares determinará qué tan bien se entregan estas partículas. La arquitectura varía según el órganoal órgano. El código computacional que desarrollamos nos ayuda a comprender cómo la arquitectura de estas redes capilares afecta el transporte de estas nanopartículas en diferentes órganos ".
Esta investigación utilizó simulaciones computacionales para responder preguntas como: ¿Con qué precisión puede un investigador capturar los detalles de cada célula sanguínea en geometrías complejas? ¿Cómo se puede lograr esto en 3D? ¿Cómo se tienen en cuenta las muchas interacciones entre estas células sanguíneas yvasos?
"Para hacer esto, necesitamos grandes recursos informáticos", dijo Bagchi. "Mi grupo ha estado trabajando en este problema utilizando recursos XSEDE del Centro de Computación Avanzada de Texas. Usamos Stampede1 para desarrollar nuestra técnica de simulación, y pronto logramosse trasladará a Stampede2 porque haremos simulaciones aún más grandes. Estamos utilizando Ranch para almacenar terabytes de nuestros datos de simulación ".
El eXtreme Science and Engineering Discovery Environment XSEDE es una organización virtual financiada por la National Science Foundation que integra y coordina el intercambio de servicios digitales avanzados, que incluyen supercomputadoras y recursos de visualización y análisis de datos de alta gama, con investigadores a nivel nacional paraciencia de apoyo. Stampede1, Stampede2 y Ranch son recursos asignados por XSEDE.
Las simulaciones reportadas en el documento tomaron algunas semanas de simulación continua y resultaron en terabytes de datos.
En términos de cómo esta investigación ayudará a la comunidad médica, Bagchi dijo: "Con base en una imagen de vasos sanguíneos capilares en un tumor, podemos simularlo en 3D y predecir la distribución del flujo sanguíneo y los medicamentos de nanopartículas dentro de la vasculatura tumoraly, tal vez, determinar el tamaño óptimo, la forma y otras propiedades de las nanopartículas para la entrega más efectiva ", dijo Bagchi." Esto es algo que veremos en el futuro ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Faith Singer-Villalobos. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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