Ymmärtäminen veren virtausta mikroskooppisella tasolla on olennaista edistää diabetestutkimusta.Reologia.Tutkimus siitä, miten veren muoto ja virtaa ... mikroverenkiertoon on kriittinen rooli kehityksessä ja etenemisessä diabeettinen komplikaatioita. Viimeaikainen edistyminen laskentaan simuloinnin avulla tutkijat voivat tutkia monimutkainen käyttäytyminen veren pienissä verisuonissa, tarjoaa oivalluksia, jotka voivat johtaa enemmän kohdennettuja hoitoja ja parantaa potilaan tuloksia. Tämä artikkeli laajentaa periaatteita veren reologian, laskentamenetelmiä käytetään mallin sitä, ja miten nämä simulaatiot sovelletaan erityisesti diabetestutkimus.

Mikroverenkierto ja diabeettiset komplikaatiot

Mikroverenkierto koostuu pienimmistä verisuonista.Arterioles, kapillaari ja venules. Josvaihto hapen, ravinteiden ja jätteiden tapahtuu. Diabeetissa, krooninen hyperglykemia vahingoittaa endoteelivuori näiden alusten, mikä johtaa kaskadi rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia. Tämä vahinko on taustalla monia kaikkein heikentäviä komplikaatioita diabetes.

Yleiset mikrovaskulaariset komplikaatiot

  • Diabeettinen retinopatia:[ Verkkokalvon kapillaarivaurio aiheuttaa vuotoa, turvotusta ja uudissuonittumista, mikä johtaa näön menetykseen.
  • Diabeettinen nefropatia:[] glomerulusten kapillaarivaurio vähentää munuaisten suodatuskykyä ja voi kehittyä munuaisten vajaatoimintaan.
  • Diabeettinen neuropatia:[ Verenkierron heikkeneminen perifeerisiin hermoihin (vasa nervorum) edistää hermojen rappeutumista ja kipua.
  • Häiriöllinen Haavan paraneminen:[] Vähentynyt kapillaariperfuusio viivästyttää kudosten korjaamista ja lisää infektioriskiä, erityisesti alaraajojen infektioriskiä.

Mikrovaskulaaristen vaurioiden mekanismit

Hyperglykemia laukaisee useita toisiinsa liittyviä reittejä: lisääntynyt polyolireittien vuo, pitkälle glykaation lopputuotteiden (AGES), aktivointi proteiinikinaasi C (PKC) isoformeja, ja lisääntynyt oksidatiivisen stressin. Nämä biokemialliset loukkaukset johtavat endoteelihäiriö, paksuuntuminen kapillaari kellari kalvo, menetys perikyyttejä, ja muuttunut hemodynaamiset. Merkittävästi, nämä muutokset vaikuttavat suoraan reologisiin ominaisuuksiin veren, heikentää edelleen mikroverenkiertoa virtausta.

Laaja yleiskatsaus mikrovaskulaarisiin komplikaatioihin on Amerikkalainen diabetes Association's review.

Verireologia: perusperiaatteet

Veri on ei-Newtonin nestettä. Sen viskositeetti muuttuu leikkausnopeuden myötä ja siihen vaikuttavat sen solujen pitoisuuksien, epäformitiivisuuden ja aggregaation muutokset. Suuremmissa verisuonissa veri käyttäytyy lähes homogeenisena nesteenä, mutta mikroverenkiertossa (alukset < 300 μm) veren hiukkasluonne muuttuu kriittiseksi. Punasolut, valkosolut ja verihiutaleet ovat vuorovaikutuksessa verisuonten seinämien ja toistensa kanssa, mikä luo monimutkaisia virtausmalleja.

Viskositeetti ja sen määräävät tekijät

Koko veren viskositeetti määritetään pääasiassa hematokriitti (tilavuusosuus RBC: n), plasman viskositeetti (vaikuttaa proteiineja kuten fibrinogeeni), ja taipumus RBC: n deformoida ja yhteenlaskettu. Diabetes, kohonnut plasman viskositeetti ja lisääntynyt RBC aggregaatio ovat yleisesti havaittu, lisää virtausresistenssiä mikroaluksissa. Laskemismallit on otettava huomioon nämä tekijät tarkasti ennustaa perfuusio.

Punasolujen epämuodostuvuus ja kokoaminen

Normaali RBC ovat hyvin epämuodostuvia, jolloin ne puristaa läpi kapillaareja kapeampi kuin niiden lepohalkaisija. Lisäksi lisääntynyt määrä akuutti-vaiheen proteiinit edistää RBC aggregaatiota kuin ruleaux, edelleen kasvava alhainen kiilto viskositeetti ja estää virtaus post-capillary venules.

Hematokriitti ja sen vaikutukset

Hematokriitti nousee usein huonosti kontrolloidussa diabeteksessa nestehukasta ja erytropoietiinistimulaation lisääntymisestä johtuen. Jopa lievä polysytemia nostaa merkittävästi viskositeettia ja edistää mikrovaskulaarista staasia. Simulaatiot korostavat, että jopa 5%:n nousu hematokriitti voi kaksinkertaistaa paineen laskun, joka tarvitaan pitämään virtaus kapillaareissa.

Laskutehtävät

Simulointi veren reologia mikroasteikolla vaatii sekä nesteen dynamiikka plasma ja mekaniikka, jotka ovat muodoltaan muunneltavia soluja. Useita laskentamenetelmiä käytetään, molempien vahvuuksia ja rajoituksia.

Jatkolähestymiset

Jatkomallit käsittelevät verta homogeeninen neste, jonka shear-riippuvainen viskositeetti (esim., Carreau malli). Vaikka ne ovat laskennallisesti tehokkaita, niissä ei oteta huomioon tärkeitä solu-mitta ilmiöitä, kuten Fåhræus vaikutus (hematokriitti pienissä aluksissa) ja soluton kerros lähellä astian seinän. Nämä yksinkertaistukset voivat johtaa epätarkkuuksiin ennustaa solujen jakautumista ja hapen kuljetusta.

Hiukkaspohjaiset menetelmät

Erilaiset menetelmät, kuten Dissipative Particle Dynamics (DPD) ja Lattice Boltzmann -menetelmä (LBM), yhdistettynä rangaistuspohjaisiin RBC-malleihin, simuloivat yksittäisiä soluja. Nämä tekniikat voivat toistaa pyörivän nauhan kierron ja kimmokkeiden liikkeet, aggregaatiodynamiikan ja jopa WBC:n kierityksen ja tarttumisen. Esimerkiksi DPD-simulaatiot ovat osoittaneet, että diabeettiset ruudut, joiden epämuodostuvuus on heikentynyt, aiheuttavat suurempia soluttomia kerroksia ja suurempia seinän leikkauksen vaihteluja, altistavat endoteelille.

Monitasomallinnus

Moderni tutkimus yhdistää usein useita asteikkoja: molekyylitason glykaatiovaikutukset, solutason deformitiiviset ominaisuudet ja alus-verkon virtausjakauman. Tällaiset monialaiset mallit yhdistävät biokemialliset muutokset (esim. jäykkyyden lisääntyminen AGE-kytketyistä) elinperfuusion muutoksiin. Monitasoisten lähestymistapojen tarkastelu löytyy [tästä vuoden 2020 artikkelista Signaalin transduktiosta ja kohdennetusta terapiasta[.

Tärkeimmät havainnot reologisista simulaatioista diabeteksen yhteydessä

Tietokonemallit ovat antaneet kvantitatiiviset oivallukset, jotka täydentävät kokeellisia havaintoja.

Hyperglykemian muuttuminen

Simulaatiot ennustavat, että 30%:n nousu RBC-kalvojäykkyys (joka vastaa diabetestiloja) johtaa 20.40%:n kasvuun virtausvastuksen 10 μm kapillaareissa. Tämä lisääntynyt vastus pahentaa kapillaarista harvinaista rasitusta ja vähentää hapen toimitusta kudoksiin. Haimasaarekkeissa tällainen hypoperfuusio voi edelleen heikentää insuliinin eritystä.

Lisääntynyt yhteenlaskeminen ja kiinnittäminen

Mallit, jotka sisältävät RBC:n aggregaatiovoimia (depletion interactions and strigging by fibrinogen), osoittavat, että diabeteksen lisääntynyt aggregaatio edistää heterogeenisempaa virtausta, jolloin RBC:n ryppäiden määrä aiheuttaa ohimeneviä okkluusioita. Lisäksi WBC:n kiinnittymisen aktivoituun endoteeliin simuloinnit osoittavat, että adheesiomolekyylien kohonnut ilmentyminen hyperglykemiassä lisää leukosyyttien liikkuvaa ja kiinteää pidätystä, kaventaa toiminnallista lumenia ja lisää paikallista resistenssiä.

Vaikutus perfuusioon ja happikuljetuksiin

Yhdistetyt virtausdiffuusiosimulaatiot osoittavat, että alentuneen epämuodostuvuuden, lisääntyneen aggregaation ja suuremman plasman viskositeettin yhdistelmä vähentää hapenottoa mikroverenkiertoon jopa 25%. Tämä rehellinen hypoksia.

Diabetesmikroverenkiertoon liittyvästä happiliikenteestä on yksityiskohtaista keskustelua tästä avoimesta artikkelista Fysiologian rajapinnoissa.

Käännössovellukset ja tulevaisuuden ohjeet

Verireologian simulaatiot siirtyvät penkiltä sängylle, joka tarjoaa työkaluja lääkekehitykseen, diagnoosiin ja yksilölliseen lääkkeeseen.

Huumausaineiden kehittäminen ja seulonta

Lääkeyhtiöt käyttävät silico-malleissa verireologiaa normalisoivia mahdollisia hoitoja. Esimerkiksi RBC:n epämuodostumiin vaikuttavia lääkkeitä (esim. N-asetyylikysteiiniä tai hemoglobiiniglykolyysiä vähentäviä aineita) voidaan arvioida virtuaalisissa kapillaareissa ennen kliinisiä tutkimuksia. Simulointi auttaa myös suunnittelemaan lääke-elutoivaa stenttiä mikrosuonten osalta ennustamalla virtausmalleja ja seinän leikkausstressijakaumaa.

Diagnostiset työkalut ja biomarkkerit

Potilaskohtaiset simulaatiot, joita syötetään mitattavissa olevilla parametreilla (HbA1c, plasmaviskositeetti, RBC-aggregaatioindeksi), voivat tuottaa yksilöllisen ...reologisen riskiprofiilin...................................................................................................................sanoo-informaation ja-analyysin................................................................................

Yksilöllinen lääke potilaskohtaisten simulaatioiden avulla

Tuleva työ yhdistää simulaatiot kuvantamisdataan (esim. verkkokalvon pohjakuvakuvaus tai kapillaryoskopia) potilaan spesifisten mikrovaskulaaristen verkkojen jälleenrakentamiseksi. Simuloimalla verenkiertoa näissä verkostoissa, lääkärit voivat tunnistaa huonosti perfuusion alueet ja ohjata interventioita.Näitä ovat esimerkiksi laserhoito retinopatiassa tai optimoimalla glykeemistä kontrollia perfuusion parantamiseksi. Koneoppimisalgoritmit koulutetaan simulointituloksiin ennustamaan tuloksia ilman täyttä mallia, kiihdyttämällä kliinistä käännöstä.

Päätelmät

Veren reologian simulointi mikroverenkiertoon tarjoaa tehokkaan linssin, jonka kautta voidaan ymmärtää ja torjua diabeettisia komplikaatioita. Näitä malleja voidaan käyttää monimutkaiseen vuorovaikutukseen solujen epämuodostuvuuden, aggregaatin, viskositeetin ja verisuoniarkkitehtuurin välillä. Nämä mallit paljastavat, miten hyperglykemia-pohjaiset muutokset heikentävät virtausta ja hapenjakelua. Laskutehon, kuvantamisen ja potilaskohtaisen mallinnuslupauksen jatkuva edistyminen näiden välineiden jalostamisessa mahdollistaen lopulta varhaisemman diagnoosin, paremman riskistratifiointien ja tehokkaampien hoitojen miljoonille, joihin diabetes vaikuttaa.