Розуміння потоку крові на мікроциркоскопічному рівні є фундаментальним для вивчення цукрового діабету. Рєологія— вивчення того, як деформує крові і витратних матеріалів, в мікроциркуляції грає критичну роль у розвитку і прогресуванні діабетичних ускладнень. Останні досягнення в обчислювальному симуляції дозволяють дослідникам зондувати нетривалу поведінку крові в крихітних судинах, пропонуючи уявлення, які можуть призвести до більш цілеспрямованих терапевтичних і поліпшених результатів пацієнта. Ця стаття розширюється на принципах риології крові, обчислювальних методів, використовуваних для її моделювання, і як ці імітації особливо застосовуються до дослідження діабету.

Мікроциркуляційні та діабетичні ускладнення

Мікроциркуляція складається з найменших судин - артеріол, капілярів і венол - де відбувається обмін киснем, поживними речовинами і відходами. При діабеті хронічна гіперглікемія пошкоджує ендотеліальну підкладку цих судин, що веде до каскаду структурних і функціональних змін. Це пошкодження лежало від багатьох найбільш дебілітуючих ускладнень цукрового діабету.

Загальні мікровазні ускладнення

  • Diabetic Retinopathy: Пошкодження ретинальних капілярів викликає витік, набряк і неосудинна хвороба, що призводить до втрати зору.
  • Діабітична нефропатія: Гломерулярна капілярна пошкодження зменшує здатність фільтрації нирок і може прогресувати ниркову недостатність.
  • Діабтична нейропатія: Зброя кровоплину на периферичні нерви (васа nervorum) сприяє зневодню нервів і болю.
  • Покращений з'єднання: Знижено капілярні запобіжні затримки тканинного ремонту і збільшує ризик зараження, особливо в нижніх кінцівках.

Механізми мікросудинної шкоди

Гіперглікоємія викликає кілька взаємопов'язаних шляхів: підвищений потік поліолу, накопичення передових продуктів глікоаційного кінцевого (АГ), активація білкових кінази C (PKC) ізоформ, і підвищений окислювальний стрес. Ці біохімічні ізоли призводять до ендотеліальної дисфункції, загущення капілярної підвалової мембрани, втрати перикотитів, і змінених гемодинаміки. Значно ці зміни безпосередньо впливають на рологічні властивості крові, подальше порушення мікроциркуляторного потоку.

Для всебічного огляду мікросудинних ускладнень див. Огляд Асоціації Американських діабетів.

Крово-реологія: фундаментальні принципи

Кров – це неновотонічна рідина— це зміни в’язкості з частотою зсуву і впливає на концентрацію, деформабельність і агрегацію її клітинних компонентів. У більших судинах кровопостачають майже як однорідна рідина, але при мікроциркуляції (вукладки < 300 мкм), частинацилує характер крові стає критичною. Червоні клітини крові (РБК), білі кров’яні клітини (ВБК), а тромбоцити взаємодіють з стінами судин і один одному, створюючи складні схеми потоку.

Вистійкість та її визначення

В’язкість крові в першу чергу визначається гематокритом (об’ємна дроба РБК), плазмою в’язкістю (встановлюється білками, такими як фібриноген), а тенденція РБК до деформування та агрегату. У цукровому діабеті спостерігається підвищена плазма в’язкість та підвищена агрегація РБК, що підвищує стійкість до потоку в мікродобрилах. Усувні моделі повинні враховуватися для цих факторів, щоб точно прогнозувати перелиз.

Деформальність клітин червоний і агрегатація

Нормальні РБК є дуже деформабельними, що дозволяє їм вичавити через капіляри вузькі, ніж їх решта діаметра - властивість, відома як «пахате» або «танк-Тревет». У діабеті глікотація гемоглобіну (HbA1c) і перезвонку мембранних білків, що містять мембрану РБ, зниження деформабельності. Крім того, підвищені рівні гострих білків сприяють агрегації РБ як роулу, додатково підвищують низьку в'язкість і перешкоджаючи потоку в післядипломних вен.

Гематокрит і його наслідки

Гематокрит часто підвищений в погано керованому діабеті через зневоднення і підвищення стимулювання еритропоєтину. Навіть м'який поліцитемія значно підвищує в'язкість і сприяє мікросудинному стазу. Симулятори виділяють, що навіть 5% збільшення гематокриту може подвоювати падіння тиску, необхідно для підтримки потоку в капілярах.

Методики комп’ютерного моделювання

Симуляційна риологія крові в мікро-шкалах вимагає захоплення як динаміка рідини плазми, так і механіки деформованих клітин. Напрацьовані кілька обчислювальних підходів, кожен з міцністю і обмеженнями.

Безперервні підходи

Безперервні моделі лікують кров як однорідну рідину з носозалежністю в'язкості (наприклад, модель Carreau). При обчисленні ефективні, ігнорують важливі клітино-масштабні явища, такі як ефект Fåhræus (зменшення в гематокриті в невеликих судинах) і целюло-безкоштовний шар біля стінки судин. Ці спрощення можуть призвести до неточностей при прогнозуванні розподілу клітин і транспортування кисню.

Пчастина-Оцінені методи

Виявлення методів, таких як Дисциптивна динаміка частинок (DPD) і метод латтеце Болтзманн (LBM), поєднані з моделями РБК, імітують окремі клітини. Ці методики можуть відтворити танкове навантаження і тягові рухи РБС, агрегація динаміки, а також прокат ВБК і адгезію. Наприклад, моделювання DPD показали, що діабезичні РБС з зниженою деформабельністю викликають більш широкі клітинно-безшовні шари і більш високі перепади напруги стін, схильні до пошкодження ендотелію.

Мультимасштабне моделювання

Сучасні дослідження часто інтегрують декілька масштабів: молекулярно-рівневі гліфікаційні ефекти, деформабельність клітинного рівня та розподіл потоку рівня порожнистого рівня. Такі багатомасштабні моделі зв'язують біохімічні зміни (наприклад, збільшення жорсткості від перехресних посилань AGE) до змін настій органа. Огляд багатомасштабних підходів можна знайти в this 2020 статті в Signal Transduction та Targeted Therapy.

Ключові знахідки з револогічних симуляцій в діабеті

Удосконалено кількісні дослідження, що доповнюють експериментальні спостереження.

Витрата олій в гіперглікемії

Симулятори прогнозують, що 30% збільшення жорсткості мембрани РБК (сприятливі з діабетичними умовами) призводить до 20–40% збільшення стійкості потоку в 10 мкм капілярах. Це підвищена стійкість посилює капілярну рідкофракцію і зменшує надходження кисню до тканин. У панкреатичних цельсках, такі гіпоперфузії можуть додатково погіршуватися інсуліну секрецію.

Підвищена агрегація та адгезію

Моделі, що закріплюють сили агрегації РБК (розгортання взаємодій та бриджування фібриногеном) показують, що посилене агрегування в цукровому діабеті сприяє більш гетерогенному потоку, з кластерами РБС, що викликають перехідні оклюзії. Крім того, моделювання адгезії ВБ до активованого ендотелію вказує, що підвищене вираз молекул адгезії в гіпергліцемі підвищує кочення лейкоцитів та твердий арешт, звужуючи функціональні люмени та підвищуючи місцеву стійкість.

Вплив на переливання та кисневий транспорт

Парадний потік-дифузійні моделювання показують, що поєднання зниженої деформабельності, збільшення агрегації та підвищеної плазмової в'язкості знижує видобуток кисню з мікроциркуляції до 25%. Це «реологічні гіпоксії» може викликати стабілізацію HIF‐1α і сприяти патологічному ангіогенезу, зокрема в сітківці.

Детальна дискусія кисневого транспорту в діабелектричному мікроциркуляції доступна з .

Переклади та перспективи

Сегментація патології крові здійснюється з лави до сходу, пропонуючи інструменти для розвитку препарату, діагностики та персоналізованої медицини.

Розробка та скринінг

Фармацевтичні компанії використовують в силіко моделі для тестування потенційних терапевтичних захворювань, які нормалізують риологія крові. Наприклад, препарати, які цільують деформабельність РБК (наприклад, антиоксиданти, такі як N‐ацетилцистеїн або агенти, які знижують глікацію гемоглобіну) можна оцінити у віртуальних капілярах перед клінічними випробуваннями. Симулятори також допомагають проектувати препарат, що керують стентами для мікросудинних клумб шляхом прогнозування схем потоку та розподілу напруги стін.

Діагностичне обладнання та біомаркери

Пацієнтоспецифічні імітації, коли за допомогою меасураційних параметрів (HbA1c, плазма в'язкість, індекс агрегації РБК), можуть генерувати індивідуальні «rheological Risk Profile.» Такі профілі можуть прогнозувати схильність до мікросудинних ускладнень більш точно, ніж однобіомаркери. Дослідники розвиваючі тотофтороміцидні мікрофлюїдні пристрої, які імітують мікроциркуляцію і дозволяють проводити інтуїтивно зрозумілий час вимірювання деформабельності РБ і агрегатації, забезпечуючи дані для калібрування імітацій.

Персоналізована медицина через пацієнт-спеціальні моделювання

Майбутні роботи інтегрують моделювання з даними візуалізації (наприклад, ретинальні фонди фотографії або капіляроскопія) для реконструкції мікросудинних мереж пацієнта. При симуляції кровоплину в цих мережах клініки можуть виявити погано завищені області та напрямні інтервенції -наприклад, лазерна терапія в ретинопатії або оптимізації глікологічного контролю для поліпшення перфузії. алгоритми машинного навчання проходять на імітаційних виходах, щоб прогнозувати результати без запуску повномодових моделей, прискорення клінічного перекладу.

Висновок

Моделювання ревології крові в мікроциркуляції забезпечує потужну лінзу, завдяки якій зрозуміти і боротися з діабетичними ускладненнями. Захоплюючи комплексний міжклітинний деформабельність, агрегація, в'язкість і судинна архітектура, ці моделі показують, як гіперглікоітерна змінює порушення потоку і постачання кисню. Продовжені досягнення в обчислювальній потужності, візуалізації, і пацієнто-специфічне моделювання обіцяє рефінувати ці інструменти, в кінцевому підсумку, що дозволяє раніше діагностувати, краще розшаровування ризику, і ефективні методи лікування мільйонів, уражених цукровим діабетом.