了解微观水平的血液流动对于推进糖尿病研究至关重要。 微循环中的红外线学 — — 血液畸形和流动的研究 — — 在糖尿病并发症的发展和演变中起着关键作用。 计算模拟的最新进展让研究人员能够探究血液在小血管中的复杂行为,提供更有针对性的治疗方法和改善病人结果。 本条扩展了血红外线学原理、用于模拟的计算方法以及这些模拟如何具体应用于糖尿病研究。

微循环和糖尿病并发症

微循环包括最小的血管——手脉、毛细血管和血管,氧气、营养物和废品的交换就是在这里发生的。 在糖尿病中,慢性高血糖会损害这些血管的内皮,导致结构变化和功能变化的连锁。 这种损害是糖尿病许多最有害的并发症的根源。

常见的微血管并发症

  • 糖尿病复发性:[] 视网膜膜损伤造成渗漏,水肿,以及新血管化,导致视力丧失.
  • 糖尿病肾病:[] 光泽毛细血管损伤降低肾过滤能力,可以推进肾衰竭.
  • 糖尿病神经病:[] 血液流入外围神经(vasa nervorum)的缺陷,会助长神经退化和疼痛.
  • 发作伤愈:[] 毛细血管输血延迟组织修复,增加感染风险,特别是在下端.

微血管损害机制

超谷血症引发了多种相互关联的途径:多醇途径通量增加、先进糖基末端产物(AGE)的积累、蛋白质性酶C(PKC)异构物的激活以及氧化性应激作用增加。 这些生物化学侮辱导致内皮功能障碍、毛细管底膜增厚、皮质丧失和血动力学改变。 值得注意的是,这些变化直接影响到血液的血红质特性,进一步损害微循环流动。

关于微血管并发症的全面概述,见美国糖尿病协会的回顾。

血红:基本原则

血液是一种非牛顿流体 — — 其粘度随着剪切率而变化,并受到细胞成分的浓度、变形和聚集的影响。 在更大的血管中,血液几乎表现为一种同质流体,但在微循环(流体小于300μm)中,血液的颗粒性变得十分关键。 红血球(RBC ) 、 白血球(WBC)和血小板与血管壁和细胞壁相互作用,从而形成复杂的流动模式。

威斯科斯及其决定因素

整个血粘度主要由血压(RBC的体积分数),血浆粘度(受纤维素等蛋白质影响),以及RBC的变形和聚合倾向决定. 在糖尿病中,血浆粘度升高和RBC的聚合增加被普遍观察到,提高了微流体的流量阻力. 计算模型必须计入这些因素,以准确预测输血.

红血球变形和聚合

正常的RBC是极易变形的,使其通过比休息直径更窄的毛细管挤压,这种结构被称为“伞状管”或“罐状”运动。 在糖尿病中,血红蛋白(HbA1c)的凝胶和膜蛋白的交叉连接使RBC膜僵化,降低变形性。 此外,急性相位蛋白水平的提高还促进了RBC的聚合,成为鲁莱素,进一步增加了低心粘度,阻碍了卡比勒后血清管中的流动。

血压及其影响

血红素在糖尿病中往往因脱水和红素刺激增加而控制不良,甚至微小的多细胞性贫血也明显地提高了粘度,并导致微血管停滞。 模拟表明,即使血红素增加5%,也能够使维持毛细血管流动所需的压力下降翻一番。

计算模拟技术

模拟微观尺度的血红外线学需要既捕获等离子体的流体动力学,又捕获可变形细胞的力学,采用了几种计算方法,每种方法都有优点和局限性.

持续办法

连续模型将血液视为一种具有依赖剪切粘度的同质液体(例如Carreau模型),虽然计算效率很高,但它们忽略了重要的细胞尺度现象,如Fåhræus效应(小血管血压下降)和靠近容器壁的细胞无层,这些简化可能导致预测细胞分布和氧气运输不准确。

以物品为基础的方法

分散法,如散射粒子动力学(DPD)和Lattice Boltzmann方法(LBM),加上基于pystitute的RBC模型,模拟单个细胞。这些技术可以复制RBC的罐体读取和扭转运动,聚合动力学,甚至WBC的滚动和粘合。 例如,DPD模拟显示,变形性降低的糖尿病RBC会导致细胞的宽度,壁剪应力波动较大,使内啡容易受损。

多比例建模

现代研究往往结合多种尺度:分子的聚糖效应、细胞的变异性、以及船体的网络的流位分布。这种多尺度模型将生物化学变化(例如从AGE交叉链路的硬度增加)与器官渗透的变化联系起来。关于多尺度方法的回顾见于这一2020年文章的信号传导和定向治疗。

糖尿病血红素模拟的主要结果

计算模型提供了定量的见解,补充了实验观测.

超高血糖体病的改变型变形性

模拟预测RBC膜硬度(与糖尿病病症一致)增加30%,导致10微米毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细

增加综合和粘合

包含RBC聚合力(消耗相互作用和纤维原素的连接)的模型显示,糖尿病的强化聚合有助于形成更多样化的流体,RBC群导致瞬时的吞噬。 此外,对活性内分泌的WBC胶体的模拟表明,高血糖中粘合分子的表达会增加白细胞滚动和坚固的阻塞,缩小功能性润滑剂,提高局部阻力。

对输血和氧气运输的影响

结合流 — — 分解模拟显示,变形性降低、聚变增加和等离子粘度提高的结合,使微循环中的氧气提取量减少25%。 这种“血压缺氧”可能会引发HIF+1α稳定,并导致病理血管血管病变,特别是在视网膜中。

关于糖尿病微循环中氧气运输的详细讨论,可查阅本开放的[生理学前沿的获取文章.

翻译应用程序和未来方向

血红外线模拟正在从长凳转移到床边,为药物开发,诊断,以及个性化的药物提供工具.

药物开发和筛选

制药公司在硅模型中使用测试使血红素学正常化的潜在疗法,例如,针对RBC变形性的药物(如N ⁇ acetylcysteine等抗氧化剂或降低血红素甘油的剂)可以在临床试验前在虚拟的毛细血管中进行评估,模拟方法还有助于通过预测流量规律和壁剪应力分布来设计用于微血管床的药物的分泌剂。

诊断工具和生物标志

患者的“特定模拟”在输入可测量参数(HbA1c、等离子粘度、RBC聚合指数)时,可以产生个性化的“辐射风险简介 ” 。 这种简介比单一生物标记更准确地预测微血管并发症的易感性。 研究人员正在开发“点”的微流体处理装置,以模仿微循环,并能够实时测量RBC的变形性和聚合,为模拟提供校准数据。

通过病人进行个性化的药物 特定模拟

未来的工作将结合模拟数据(例如视网膜基金摄影或毛细血管镜学)来重建患者特有的微血管网络。 通过模拟这些网络中的血液流动,临床医生可以识别渗透不良的区域并指导干预工作,如肾上腺疗法中的激光疗法或优化甘油控制以改善输液。 机器学习算法正在接受模拟输出方面的培训,以预测结果,而无需运行完整的模型,加快临床翻译。

结论

模拟微循环中的血红外线学提供了能够理解和防治糖尿病并发症的强大透镜。 通过捕捉细胞畸形、凝聚、粘度和体质结构之间的复杂相互作用,这些模型揭示了超高血压驱动的变化如何损害流量和氧气输送。 计算功率、成像和患者特异模型的持续进步有望完善这些工具,最终能够更早地诊断、更好的风险分层和对受糖尿病影响的数百万人更有效的治疗。