Se você pensa no corpo humano, redes microvasculares compostas dos menores vasos sanguíneos são uma parte central da função do corpo. Eles facilitam a troca de nutrientes e gases essenciais entre a corrente sanguínea e os tecidos circundantes, bem como regular o fluxo sanguíneo em órgãos individuais.

Embora o comportamento das células sanguíneas fluindo dentro de um único, vasos retos é um problema bem conhecido, menos se sabe sobre os eventos individuais em escala celular que dão origem ao comportamento do sangue em redes microvasculares. Para entender melhor isso, pesquisadores Peter Balogh e Prosenjit Bagchi publicaram um estudo recente no Biophysical Journal . Bagchi reside no Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Rutgers University, e Balogh é seu aluno de doutorado.

Para o conhecimento dos pesquisadores, o trabalho deles é o primeiro a simular e estudar os glóbulos vermelhos fluindo em redes microvasculares fisiologicamente realistas, capturando a arquitetura vascular altamente complexa, bem como a deformação 3D e dinâmica de cada glóbulo vermelho individual.

Balogh e Bagchi desenvolveram e usaram um código de simulação de última geração para estudar o comportamento dos glóbulos vermelhos à medida que fluem e se deformam nas redes microvasculares. O código simula fluxos 3D em geometrias complexas, e pode modelar células deformáveis, como glóbulos vermelhos, bem como partículas rígidas, como plaquetas inativadas ou algumas partículas de drogas.

"Nossa pesquisa em redes microvasculares é importante porque esses vasos fornecem uma resistência muito forte ao fluxo sanguíneo, "disse Bagchi." Quanta energia o coração precisa para bombear sangue, por exemplo, é determinado por esses vasos sanguíneos. Além disso, é aqui que muitas doenças do sangue se enraízam. Por exemplo, para alguém com anemia falciforme, é aqui que os glóbulos vermelhos ficam presos e causam uma dor enorme. "

Uma das descobertas do artigo envolve a interação entre os glóbulos vermelhos e a vasculatura nas regiões onde os vasos se bifurcam. Eles observaram que, à medida que os glóbulos vermelhos fluem através dessas bifurcações vasculares, eles freqüentemente atolam por períodos muito breves antes de prosseguir rio abaixo. Tal comportamento pode fazer com que a resistência vascular nos vasos afetados aumente, temporariamente, por várias ordens de magnitude.

Tem havido muitas tentativas de entender o fluxo sanguíneo em redes microvasculares que datam de 1800 e o médico e fisiologista francês, Jean-Louis-Marie Poiseuille, cujo interesse pela circulação do sangue o levou a realizar uma série de experimentos sobre o fluxo de líquidos em tubos estreitos. Ele também formulou uma expressão matemática para o fluxo não turbulento de fluidos em tubos circulares.

Atualizando esta pesquisa, Balogh e Bagchi usam computação para melhorar a compreensão do fluxo sanguíneo nessas redes. Como muitos outros grupos, eles originalmente modelaram os vasos sanguíneos capilares como pequenos, tubos retos e previu seu comportamento.

"Mas se você olhar para os vasos semelhantes a capilares no microscópio, eles não são tubos retos ... eles são muito sinuosos e continuamente se bifurcam e se fundem uns com os outros, "Bagchi disse." Percebemos que ninguém mais tinha uma ferramenta computacional para prever o fluxo de células sanguíneas nessas redes fisiologicamente realistas. "

"Este é o primeiro estudo a considerar a complexa geometria da rede em 3D e, simultaneamente, resolver os detalhes das células em 3D, "Balogh disse." Um dos objetivos subjacentes é entender melhor o que está ocorrendo nesses vasos muito pequenos nessas geometrias complexas. Esperamos que, ao sermos capazes de modelar este próximo nível de detalhe, possamos aumentar nossa compreensão do que está realmente ocorrendo no nível desses vasos muito pequenos. "

Em termos de pesquisa do câncer, este modelo pode ter implicações tremendas. "Este código é apenas o começo de algo realmente grande, "Bagchi disse.

Na área médica hoje, existem sistemas de imagem avançados que geram imagens da rede capilar de vasos sanguíneos, mas às vezes é difícil para esses sistemas de imagem prever o fluxo sanguíneo em todos os vasos simultaneamente. "Agora, podemos tirar essas imagens, colocá-los em nosso modelo computacional, e prever até mesmo o movimento de cada célula sanguínea em cada vaso capilar que está na imagem, "Bagchi disse.

Este é um grande benefício porque os pesquisadores podem ver se o tecido está recebendo oxigênio suficiente ou não. Na pesquisa do câncer, a angiogênese - o processo fisiológico pelo qual novos vasos sanguíneos se formam a partir de vasos pré-existentes - depende do tecido obter oxigênio suficiente.

A equipe também está trabalhando na modelagem da administração de medicamentos direcionados, particularmente para o câncer. Nesta abordagem, as nanopartículas são usadas para transportar drogas e direcionar a localização específica da doença. Por exemplo, se alguém tem câncer no fígado ou pâncreas, então, esses órgãos específicos são direcionados. A administração direcionada do medicamento permite o aumento da dose do medicamento para que outros órgãos não sejam danificados e os efeitos colaterais sejam minimizados.

"O tamanho e a forma dessas nanopartículas determinam a eficiência de como elas são transportadas através dos vasos sanguíneos, "Bagchi disse." Acreditamos que a arquitetura dessas redes capilares vai determinar o quão bem essas partículas são entregues. A arquitetura varia de órgão para órgão. O código computacional que desenvolvemos nos ajuda a entender como a arquitetura dessas redes capilares afeta o transporte dessas nanopartículas em diferentes órgãos. "

Esta pesquisa usou simulações computacionais para responder a perguntas como:Com que precisão um pesquisador pode capturar os detalhes de cada célula do sangue em geometrias complexas? Como isso pode ser feito em 3D? Como você leva em consideração as muitas interações entre essas células e vasos sanguíneos?

"Para fazer isso, precisamos de grandes recursos de computação, "Bagchi disse." Meu grupo tem trabalhado neste problema usando recursos XSEDE do Texas Advanced Computing Center. Usamos Stampede1 para desenvolver nossa técnica de simulação, e em breve estaremos mudando para Stampede2 porque faremos simulações ainda maiores. Estamos usando o Ranch para armazenar terabytes de nossos dados de simulação. "

O eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) é uma organização virtual financiada pela National Science Foundation que integra e coordena o compartilhamento de serviços digitais avançados - incluindo supercomputadores e recursos avançados de visualização e análise de dados - com pesquisadores em todo o país para apoiar a ciência. Stampede1, Stampede2, e Ranch são recursos alocados pelo XSEDE.

As simulações relatadas no jornal levaram algumas semanas de simulação contínua e resultaram em terabytes de dados.

Em termos de como esta pesquisa ajudará a comunidade médica, Bagchi disse:"Com base em uma imagem de vasos sanguíneos capilares em um tumor, podemos simulá-lo em 3D e prever a distribuição do fluxo sanguíneo e das nanopartículas de drogas dentro da vasculatura tumoral, e, possivelmente, determinar o tamanho ideal, forma e outras propriedades das nanopartículas para entrega mais eficaz, "Bagchi disse." Isso é algo que veremos no futuro. "