Se pensi al corpo umano, le reti microvascolari costituite dai vasi sanguigni più piccoli sono una parte centrale della funzione del corpo. Facilitano lo scambio di nutrienti e gas essenziali tra il flusso sanguigno e i tessuti circostanti, oltre a regolare il flusso sanguigno nei singoli organi.

Mentre il comportamento delle cellule del sangue che scorre all'interno di un singolo, navi diritte è un problema ben noto, meno si sa dei singoli eventi su scala cellulare che danno origine al comportamento del sangue nelle reti microvascolari. Per capire meglio questo, i ricercatori Peter Balogh e Prosenjit Bagchi hanno pubblicato un recente studio nel Giornale Biofisico . Bagchi risiede nel dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale della Rutgers University, e Balogh è il suo studente di dottorato.

A conoscenza dei ricercatori, il loro è il primo lavoro per simulare e studiare i globuli rossi che scorrono in reti microvascolari fisiologicamente realistiche, catturando sia l'architettura vascolare altamente complessa che la deformazione 3D e la dinamica di ogni singolo globulo rosso.

Balogh e Bagchi hanno sviluppato e utilizzato un codice di simulazione all'avanguardia per studiare il comportamento dei globuli rossi mentre scorrono e si deformano attraverso le reti microvascolari. Il codice simula flussi 3D all'interno di geometrie complesse, e può modellare celle deformabili, come i globuli rossi, così come particelle rigide, come le piastrine inattivate o alcune particelle di farmaco.

"La nostra ricerca sulle reti microvascolari è importante perché questi vasi forniscono una resistenza molto forte al flusso sanguigno, " disse Bagchi. " Quanta energia ha bisogno il cuore per pompare il sangue, Per esempio, è determinato da questi vasi sanguigni. Inoltre, è qui che mettono radici molte malattie del sangue. Per esempio, per qualcuno con anemia falciforme, è qui che i globuli rossi si bloccano e causano un dolore enorme".

Uno dei risultati del documento riguarda l'interazione tra i globuli rossi e il sistema vascolare all'interno delle regioni in cui i vasi si biforcano. Hanno osservato che quando i globuli rossi fluiscono attraverso queste biforcazioni vascolari, frequentemente si inceppano per brevissimi periodi prima di procedere a valle. Tale comportamento può causare un aumento della resistenza vascolare nei vasi interessati, temporaneamente, di diversi ordini di grandezza.

Ci sono stati molti tentativi di comprendere il flusso sanguigno nelle reti microvascolari risalenti al 1800 e il medico e fisiologo francese, Jean-Louis-Marie Poiseuille, il cui interesse per la circolazione del sangue lo portò a condurre una serie di esperimenti sul flusso di liquidi in tubi stretti. Ha anche formulato un'espressione matematica per il flusso non turbolento di fluidi in tubi circolari.

Aggiornando questa ricerca, Balogh e Bagchi utilizzano il calcolo per migliorare la comprensione del flusso sanguigno in queste reti. Come molti altri gruppi, originariamente modellavano i vasi sanguigni capillari come piccoli, tubi dritti e prevedeva il loro comportamento.

"Ma se guardi i vasi capillari al microscopio, non sono tubi diritti...sono molto tortuosi e continuamente si biforcano e si fondono tra loro, "Bagchi ha detto. "Ci siamo resi conto che nessun altro aveva uno strumento computazionale per prevedere il flusso di cellule del sangue in queste reti fisiologicamente realistiche".

"Questo è il primo studio che considera la complessa geometria della rete in 3D e risolve simultaneamente i dettagli delle celle in 3D, " Balogh ha detto. "Uno degli obiettivi di fondo è quello di capire meglio cosa sta accadendo in queste navi molto piccole in queste complesse geometrie. Speriamo che, essendo in grado di modellare questo livello di dettaglio successivo, possiamo aumentare la nostra comprensione di ciò che sta effettivamente accadendo a livello di queste navi molto piccole".

Per quanto riguarda la ricerca sul cancro, questo modello può avere enormi implicazioni. "Questo codice è solo l'inizio di qualcosa di veramente grande, " Disse Bagchi.

In campo medico oggi, ci sono sistemi di imaging avanzati che visualizzano la rete capillare dei vasi sanguigni, ma a volte è difficile per quei sistemi di imaging prevedere il flusso sanguigno in ogni vaso contemporaneamente. "Ora, possiamo prendere quelle immagini, inserirli nel nostro modello computazionale, e prevedere anche il movimento di ogni cellula del sangue in ogni vaso capillare che è nell'immagine, " Disse Bagchi.

Questo è un enorme vantaggio perché i ricercatori possono vedere se il tessuto riceve abbastanza ossigeno o meno. Nella ricerca sul cancro, l'angiogenesi, il processo fisiologico attraverso il quale si formano nuovi vasi sanguigni da vasi preesistenti, dipende dal fatto che il tessuto riceva abbastanza ossigeno.

Il team sta anche lavorando alla modellazione della somministrazione mirata di farmaci, in particolare per il cancro. In questo approccio le nanoparticelle vengono utilizzate per trasportare farmaci e mirare alla posizione specifica della malattia. Per esempio, se qualcuno ha il cancro al fegato o al pancreas, quindi quegli organi specifici sono presi di mira. La somministrazione mirata del farmaco consente un aumento della dose del farmaco in modo che altri organi non vengano danneggiati e gli effetti collaterali siano ridotti al minimo.

"La dimensione e la forma di queste nanoparticelle determinano l'efficienza del modo in cui vengono trasportate attraverso i vasi sanguigni, "Bagchi ha detto. "Pensiamo che l'architettura di queste reti capillari determinerà quanto bene queste particelle vengono consegnate. L'architettura varia da organo a organo. Il codice computazionale che abbiamo sviluppato ci aiuta a capire come l'architettura di queste reti capillari influenzi il trasporto di queste nanoparticelle in diversi organi".

Questa ricerca ha utilizzato simulazioni computazionali per rispondere a domande come:con che precisione un ricercatore può catturare i dettagli di ogni cellula del sangue in geometrie complesse? Come può essere realizzato in 3D? Come si tiene conto delle numerose interazioni tra queste cellule del sangue e questi vasi?

"Per fare questo, abbiamo bisogno di grandi risorse di calcolo, " Bagchi ha detto. "Il mio gruppo ha lavorato su questo problema utilizzando le risorse XSEDE del Texas Advanced Computing Center. Abbiamo usato Stampede1 per sviluppare la nostra tecnica di simulazione, e presto passeremo a Stampede2 perché faremo simulazioni ancora più grandi. Usiamo Ranch per archiviare terabyte dei nostri dati di simulazione".

L'eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) è un'organizzazione virtuale finanziata dalla National Science Foundation che integra e coordina la condivisione di servizi digitali avanzati, inclusi supercomputer e risorse di visualizzazione e analisi dei dati di fascia alta, con i ricercatori a livello nazionale per supportare la scienza. corsa precipitosa1, precipitoso2, e Ranch sono risorse allocate da XSEDE.

Le simulazioni riportate nel documento hanno richiesto alcune settimane di simulazione continua e hanno prodotto terabyte di dati.

In termini di come questa ricerca aiuterà la comunità medica, Bagchi ha dichiarato:"Sulla base di un'immagine dei vasi sanguigni capillari in un tumore, possiamo simularlo in 3D e prevedere la distribuzione del flusso sanguigno e dei farmaci nanoparticellari all'interno del sistema vascolare del tumore, e, forse, determinare la dimensione ottimale, forma e altre proprietà delle nanoparticelle per una consegna più efficace, " Bagchi ha detto. "Questo è qualcosa che vedremo in futuro."