Si piensas 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 regular el flujo sanguíneo en órganos individuales.

Si bien el comportamiento de las células sanguíneas que fluyen dentro de un solo, vasos rectos es un problema bien conocido, se sabe menos acerca de los eventos individuales a escala celular que dan lugar al comportamiento de la sangre en las redes microvasculares. Para entender mejor esto, Los investigadores Peter Balogh y Prosenjit Bagchi publicaron 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 3D y la dinámica 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 las redes microvasculares. El código simula flujos 3D dentro de geometrías complejas, y puede modelar células deformables, como los glóbulos rojos, así como partículas rígidas, como plaquetas inactivadas o algunas partículas de fármacos.

"Nuestra investigación en redes microvasculares es importante porque estos vasos proporcionan una resistencia muy fuerte al flujo sanguíneo, ", dijo Bagchi." Cuánta energía necesita el corazón para bombear sangre, por ejemplo, está determinada por estos vasos sanguíneos. Además, aquí es donde se arraigan muchas enfermedades de la sangre. 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 involucra 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 durante períodos muy breves antes de continuar río abajo. Tal comportamiento puede hacer que aumente la resistencia vascular en los vasos afectados, temporalmente, en varios órdenes de magnitud.

Ha habido muchos intentos de comprender el flujo sanguíneo en las redes microvasculares que se remontan al siglo XIX y el médico y fisiólogo francés, Jean-Louis-Marie Poiseuille, cuyo interés por la circulación de la sangre le llevó a realizar una serie de experimentos sobre el flujo de 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 utilizan la computación para mejorar la comprensión del flujo sanguíneo en estas redes. Como muchos otros grupos, originalmente modelaron los vasos sanguíneos capilares como pequeños, tubos rectos y predijo su comportamiento.

"Pero si miras los vasos capilares bajo el microscopio, no son tubos rectos ... son muy sinuosos y continuamente se bifurcan y se fusionan entre sí, "Dijo Bagchi." Nos dimos cuenta de que nadie más tenía una herramienta computacional para predecir el flujo de células sanguíneas en estas redes fisiológicamente realistas ".

"Este es el primer estudio que considera la geometría compleja de la red en 3D y, al mismo tiempo, resuelve los detalles de la celda en 3D, ", Dijo Balogh." Uno de los objetivos subyacentes es comprender mejor lo que está ocurriendo en estos recipientes muy pequeños en estas geometrías complejas. Esperamos que al ser capaces de modelar este siguiente nivel de detalle podamos contribuir a nuestra comprensión de lo que realmente está ocurriendo al nivel de estas embarcaciones muy pequeñas ".

En términos de investigación del cáncer, este modelo puede tener tremendas implicaciones. "Este código es solo el comienzo de algo realmente grande, "Dijo Bagchi.

En el campo de la medicina hoy, Existen sistemas de imágenes avanzados que obtienen imágenes de la red capilar de vasos sanguíneos, pero a veces es difícil para esos sistemas de imágenes predecir el flujo sanguíneo en todos los vasos simultáneamente. "Ahora, podemos tomar esas imágenes, ponerlos en nuestro modelo computacional, y predecir 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 de que el tejido reciba suficiente oxígeno.

El equipo también está trabajando en modelar la administración de medicamentos dirigida, particularmente para el cáncer. En este enfoque, las nanopartículas se utilizan para transportar medicamentos y apuntar a la ubicación específica de la enfermedad. Por ejemplo, si alguien tiene cáncer de hígado o páncreas, entonces esos órganos específicos son el objetivo. La administración dirigida del fármaco permite aumentar la dosis del fármaco para que no se dañen otros órganos y se minimicen los efectos secundarios.

"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 de un órgano a otro. 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 numerosas interacciones entre estas células sanguíneas y vasos?

"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 pasaremos a Stampede2 porque haremos simulaciones aún más grandes. Estamos usando 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, incluidas supercomputadoras y recursos de visualización y análisis de datos de alta gama, con investigadores a nivel nacional para apoyar la ciencia. Estampida1, Estampida2, y Ranch son recursos asignados por XSEDE.

Las simulaciones informadas en el documento tomaron algunas semanas de simulación continua y dieron como resultado terabytes de datos.

En términos de cómo esta investigación ayudará a la comunidad médica, Bagchi dijo:"Basado en una imagen de vasos sanguíneos capilares en un tumor, podemos simularlo en 3D y predecir la distribución del flujo sanguíneo y los fármacos de nanopartículas dentro de la vasculatura del tumor, y, quizás, determinar el tamaño óptimo, forma y otras propiedades de las nanopartículas para una entrega más eficaz, "Dijo Bagchi." Esto es algo que veremos en el futuro ".