糖尿病研究のためのマイクロ循環における血液レオロジーのシミュレーション

顕微鏡レベルでの血流を理解することは、糖尿病の研究を促進する基礎です。レオロジー - 血液がどのように変形し、流れるかの研究 - マイクロ循環内では、糖尿病の合併症の発達と進行において重要な役割を果たしています。計算シミュレーションの最近の進歩により、研究者は小さな血管内の血液の複雑な動作を調査し、より標的された治療法や改善された患者結果につながる可能性がある洞察を提供します。この記事は、血液の原則に拡大します。

マイクロ循環と糖尿病合併症

マイクロ循環は、酸素、栄養素、廃棄物の交換場所、動脈硬化、毛細血管、および血管から構成される最も小さい血管で構成されています。糖尿病では、慢性高血症は、これらの血管の内因性ライニングを損傷し、構造的および機能的変化のカスケードにつながります。この損傷は、糖尿病の最も衰弱な合併症の多くを根本的に受けます。

一般的なマイクロ血管の合併症

糖尿病性レチノパシー:[ 角膜の毛細血管が漏れ、浮腫、および視力喪失を引き起こします。
糖尿病性腎症:[) 血小血管損傷は腎臓のろ過能力を減らし、腎不全に進行することができます。
糖尿病性神経症:[末梢神経(vasa nervorum)への血流が神経の退症と痛みに寄与する。
] 修復された傷治癒:[] 減少した毛細灌流は、組織の修復を遅らせ、特に下肢の感染リスクを増加させます。

微細管の損傷のメカニズム

過糖血症は、複数の関連経路をトリガーします。:増加したポリオール経路フラックス、高度なグリシエーションエンド製品(AGEs)の蓄積、タンパク質キナーゼC(PKC)の活性化、および酸化ストレスの増加。これらのバイオケミカルインスケーターは、内皮機能不全、毛細血管基膜の増量、および加害された重症の減少、および増殖する血液特性を直接、これらの血液特性の変化に影響を与えます。

マイクロ血管合併症の包括的な概要については、 [American Diabetes Association's review[を参照してください。

血液レオロジー:基本原則

血液は、非ニュートニア液で、せん断率で粘度が変化し、その細胞成分の濃度、変形性、凝集の影響を受けています。より大きい血管では、血液はほぼ均質な流体として機能しますが、微分循環(容器<300μm)では、血液の部分性が重要になります。赤血球(RBC)、白血球(WBC)、および血小板は、各体と他の複雑なパターンを作成すると相互作用します。

粘度とその決定者

全血粘度は、主にヘムトクリット(RBCのボリューム分数)、血漿粘度(フィブリノゲンのようなタンパク質によって影響される)、および変形および集計するRBCの傾向によって決定されます。糖尿病では、血漿粘度を高め、RBC凝集率が増加すると、マイクロベッセルの流入に対する抵抗が上昇する。計算モデルは、これらの要因が正確に微分を予測するために考慮する必要があります。

赤い血球変形性および凝集性

通常のRBCは、その修復直径よりも毛細血管を絞ることを可能にする、非常に変形性が高く、 “並列” または “タンクトレッド” 運動として知られている特性。糖尿病では、ヘモグロビン(HbA1c)のグリセレーションと膜タンパク質の交差リンクは、変形性を低下させる。さらに、急性相タンパク質の上昇レベルは、より低濃度の腐敗を促進し、粘度が向上し、粘度が向上し、粘度が向上します。

Hematocritとその効果

Hematocritは、脱水とエリスロポエチン刺激の増加による、低濃度の糖尿病で頻繁に上昇します。軽度の多血症でさえ、粘度を大幅に上昇させ、微小血管の病因に貢献します。シミュレーションは、ヘマトクリットの5%増加でさえ、毛細血管の流量を維持するために必要な圧力低下を2倍増させる可能性があることを強調しています。

計算シミュレーション技術

マイクロスケールでの血液レオロジーをシミュレートするには、プラズマの流体力学と変形細胞の機械学力の両方をキャプチャする必要があります。いくつかの計算アプローチが採用され、それぞれ強度と制限があります。

継続的アプローチ

連続モデルは、せん断依存性粘度(例えば、カルローモデル)の均質な流体として血液を扱います。計算的に効率的な間、Fåhræus効果(小血管のヘマトクリットの還元)や、船舶壁に近いセルフリー層などの重要な細胞スケール現象を無視します。これらの単純化は、細胞分布と酸素輸送を予測する際に不正確につながることができます。

粒子ベースの方法

分散型パーティクル・ダイナミクス(DPD)やラティス・ボルツマン法(LBM)などの離散的な手法は、ペナルティ系RBCモデルと相まって、個々の細胞をシミュレートします。これらの技術は、RBC、集計ダイナミクス、さらにはWBCの転がりや密着性を阻害するタンク・トレッド・トランジション・モーションを再現することができます。例えば、DPDシミュレーションは、変形性RBCを低下させ、より広い細胞層を増やすようなストレスを抑え、より高みのあるストレスを抑え、より高みのある層を抑えることが示されています。

多スケールモデリング

近代的な研究は、分子レベルのグリシエーション効果、細胞レベルの変形性、および船舶の‐ネットワークレベル流分布の複数のスケールを統合することが多い。このような多スケールモデルでは、生化学的変化(例えば、AGEのクロスリンクからの剛性増加)をリンクして、臓器の灌流の変化を増加させる。多スケールアプローチのレビューは、]で見つけることができます。この2020年の記事は、信号のトランスダクションとターゲティング療法で。

糖尿病におけるレオロジーシミュレーションによる重要な発見

計算モデルには、実験的な観察を補完する定量的な洞察が提供されます。

グルグリコ血症の変形性

シミュレーションは、RBC膜の剛さ(糖尿病状態と一貫性)の30%増加が10μmの毛細血管における流量抵抗の20〜40%増加につながることを予測します。この増加抵抗の悪化の毛細血管のまれた作用を増加させ、組織への酸素供給を削減します。膵隔離では、そのような低灌流は、さらにインスリン分泌物を妨げる可能性があります。

集計と付着力の増加

糖尿病の凝集力を高めるモデル(RBCの凝集力(枯渇相互作用とフィブリノゲンによるブリッジング)は、より異種の流れに貢献し、過渡的な閉塞を引き起こしたRBCのクラスターと。さらに、WBCの密着のシミュレーションは、高血糖中の付着分子の高まり発現が白血球の転がり、しっかりした逮捕を増加させることを示す。また、機能的な内腔や局所抵抗の狭窄を引き起こします。

灌流と酸素輸送への影響

結合された流れ-拡散のシミュレーションは減らされた変形性、高められた集計およびより高い血しょう粘度の組合せが最大25%のmicrocirculationからの酸素抽出を減らすことを明らかにします。この「根性低酸素」はHIF-1αの安定化を誘発し、病理学の血管系症、特に網膜で寄与するかもしれません。

糖尿病マイクロ循環における酸素輸送の詳細な議論は、生理学のフロンティア[の]から入手可能です。