Визуализация смоделированных тромбоцитов в условиях потока
(Medical Xpress) – Наличие виртуальной копии крови пациента на компьютере было бы благом для исследователей и врачей. Они могли исследовать имитацию сердечного приступа, вызванного свертыванием крови в пораженной коронарной артерии, и посмотреть, будет ли такое лекарство, как аспирин, эффективным для уменьшения размера такого сгустка.
Теперь команда биомедицинских инженеров и гематологов из Пенсильванского университета выполнила крупномасштабное моделирование функции крови для конкретных пациентов в условиях кровотока в кровеносных сосудах, используя роботов для проведения сотен тестов на человеческих тромбоцитах, реагирующих на комбинации различных факторов. активирующие агенты, вызывающие свертывание.
Их работа опубликована в журнале Blood.
Информация для пациента о том, как тромбоциты образуют тромбы, может быть важной частью лечения. Обычно сгустки предотвращают кровотечение, но они также могут вызывать сердечные приступы, когда образуются в коронарных артериях, нагруженных бляшками. Некоторые препараты, включая аспирин, используются для уменьшения размера таких сгустков и предотвращения сердечных приступов, но, поскольку тромбоциты различаются от человека к человеку, эффективность таких препаратов также различается.
«Тромбоциты похожи на компьютеры в том смысле, что они объединяют множество сигналов и принимают сложное решение о том, что делать». сказал старший автор Скотт Даймонд, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Школе инженерии и прикладных наук. Нам было интересно узнать, сможем ли мы провести достаточно измерений в лаборатории, чтобы обнаружить небольшие различия, которые делают каждого из нас уникальным. Было бы невозможно сделать это с клетками печени, сердца или мозга. Но мы можем легко получить пробирку крови от каждого донора и провести тесты на выделение кальция тромбоцитами.??
Когда тромбоциты крови подвергаются воздействию условий пореза или, в более опасной ситуации, разрыва атеросклеротической бляшки, они реагируют повышением своего внутреннего кальция, что вызывает высвобождение двух химических веществ, тромбоксана и АДФ. Эти два активирующих агента дополнительно повышают уровень кальция и являются мишенью для обычных антитромбоцитарных препаратов, таких как аспирин или клопидогрель, также известные как Плавикс. Не позволяя тромбоцитам повышать уровень кальция, эти препараты снижают их способность слипаться и блокируют кровеносные сосуды, снижая вероятность сердечного приступа.
Поскольку кровь представляет собой жидкость, роботы для работы с жидкостью, первоначально разработанные для скрининговых тестов на наркотики, идеально подходят для проверки функции тромбоцитов.
«Мы использовали метод, разработанный в нашей лаборатории, который называется« попарное сканирование агонистов ». на тромбоцитах от трех разных доноров для создания огромного набора данных о том, как их клетки реагировали на все различные пары этих активирующих агентов, ?? Даймонд сказал. Затем мы обучили модели нейронных сетей для каждого донора на основе этих данных, чтобы имитировать реакцию каждой клетки в сгустке крови.??
Нейронные сети – это способ взглянуть на взаимосвязь между входами и выходами для очень сложных процессов, а не на детали процесса.
«Они суммируют общую функцию всех сетей химических реакций, которые происходят в пределах одного тромбоцита», Даймонд сказал.
Аспирант и ведущий автор Мэтт Фламм разработал мощную многомасштабную компьютерную модель, которая заполняет симуляцию кровотока, протекающего по месту повреждения сосуда, тысячами тромбоцитов, поведение которых основано на модели нейронной сети, разработанной для каждого пациента.
«Это первый раз, когда можно было предсказать свертывание крови в потоке с использованием тромбоцитов, специфичных для пациента», Фламм сказал. ?? Мы смогли предсказать ранжированную эффективность нескольких препаратов.??
Чтобы показать, что компьютерное моделирование позволяет им делать точные прогнозы о поведении тромбоцитов отдельного донора, исследователи также провели физический тест. Используя микрофлюидные устройства, они провели множество анализов крови с каждым образцом крови в условиях венозного и артериального кровотока с использованием различных препаратов.
Многомасштабное компьютерное моделирование для каждого донора очень точно предсказало реакцию на лекарство.
«Мы даже определили одного человека, который был устойчив к аспирину», Даймонд сказал, а затем обнаружил новую генетическую мутацию в их гене рецептора тромбоксана. Компьютерное моделирование этого донора выявило функциональный дефект еще до того, как мы секвенировали ген.??
Многомасштабное моделирование функции крови для конкретного пациента является примером быстро развивающейся области системной биологии. Многомасштабные модели требуют понимания внутриклеточной передачи сигналов в тысячах отдельных клеток, активируемых в месте повреждения кровеносного сосуда, а также подробных расчетов кровотока и молекулярной диффузии.
?? Такие области, как прогноз погоды и дизайн самолетов, имитируют потоки воздуха, ?? Даймонд сказал: «В сердечно-сосудистой медицине мы сталкиваемся с индивидуально уникальной и сложной жидкостью человеческой крови. Области исследований, связанные с травматическим кровотечением, инсультом и тромбозом глубоких вен, могут быть полезны при расширенном моделировании функции крови.??
Разработка уравнений и алгоритмов для моделирования реактивного кровотока будет очень полезна при прогнозировании клинических рисков, реакции на лекарства и новых механизмов заболевания, а также при разработке биомедицинских устройств.
Исследование проводили профессора Даймонд и Талид Синно и аспиранты Фламм, Том Колас и Манаш Чаттерджи с кафедры химической и биомолекулярной инженерии Школы инженерии и прикладных наук. Лоуренс Ф. Брасс из отделения гематологии и онкологии Медицинской школы им. Пеннеса Перельмана также внес свой вклад в исследование.