Si vous pensez au corps humain, les réseaux microvasculaires constitués des plus petits vaisseaux sanguins sont une partie centrale de la fonction du corps. Ils facilitent l'échange de nutriments essentiels et de gaz entre la circulation sanguine et les tissus environnants, ainsi que de réguler le flux sanguin dans les organes individuels.

Alors que le comportement des cellules sanguines circulant dans un seul, navires droits est un problème bien connu, on en sait moins sur les événements individuels à l'échelle cellulaire donnant lieu au comportement sanguin dans les réseaux microvasculaires. Pour mieux comprendre cela, les chercheurs Peter Balogh et Prosenjit Bagchi ont publié une étude récente dans le Journal biophysique . Bagchi réside dans le département de génie mécanique et aérospatial de l'Université Rutgers, et Balogh est son doctorant.

A la connaissance des chercheurs, leur est le premier travail pour simuler et étudier les globules rouges circulant dans des réseaux microvasculaires physiologiquement réalistes, capturant à la fois l'architecture vasculaire très complexe ainsi que la déformation 3D et la dynamique de chaque globule rouge individuel.

Balogh et Bagchi ont développé et utilisé un code de simulation de pointe pour étudier le comportement des globules rouges lorsqu'ils circulent et se déforment à travers les réseaux microvasculaires. Le code simule des écoulements 3D au sein de géométries complexes, et peut modéliser des cellules déformables, comme les globules rouges, ainsi que des particules rigides, telles que les plaquettes inactivées ou certaines particules de médicament.

« Nos recherches sur les réseaux microvasculaires sont importantes car ces vaisseaux offrent une très forte résistance à la circulation sanguine, " a déclaré Bagchi. " De combien d'énergie le cœur a-t-il besoin pour pomper le sang, par exemple, est déterminé par ces vaisseaux sanguins. En outre, c'est là que de nombreuses maladies du sang prennent racine. Par exemple, pour une personne atteinte d'anémie falciforme, c'est là que les globules rouges se coincent et causent une douleur énorme."

L'une des découvertes de l'article concerne l'interaction entre les globules rouges et le système vasculaire dans les régions où les vaisseaux bifurquent. Ils ont observé que lorsque les globules rouges circulent à travers ces bifurcations vasculaires, ils se bloquent fréquemment pendant de très brèves périodes avant de continuer vers l'aval. Un tel comportement peut entraîner une augmentation de la résistance vasculaire dans les vaisseaux affectés, temporairement, de plusieurs ordres de grandeur.

Il y a eu de nombreuses tentatives pour comprendre le flux sanguin dans les réseaux microvasculaires remontant aux années 1800 et le médecin et physiologiste français, Jean-Louis-Marie Poiseuille, dont l'intérêt pour la circulation du sang l'a amené à mener une série d'expériences sur l'écoulement des liquides dans des tubes étroits. Il a également formulé une expression mathématique pour l'écoulement non turbulent des fluides dans des tubes circulaires.

Mettre à jour cette recherche, Balogh et Bagchi utilisent le calcul pour améliorer la compréhension du flux sanguin dans ces réseaux. Comme beaucoup d'autres groupes, ils ont à l'origine modélisé les vaisseaux sanguins capillaires comme petits, tubes droits et prédit leur comportement.

"Mais si vous regardez les vaisseaux capillaires au microscope, ce ne sont pas des tubes droits... ils sont très sinueux et se bifurquent et se confondent continuellement, " a déclaré Bagchi. "Nous avons réalisé que personne d'autre n'avait d'outil informatique pour prédire le flux de cellules sanguines dans ces réseaux physiologiquement réalistes."

"C'est la première étude à considérer la géométrie complexe du réseau en 3D et à résoudre simultanément les détails de la cellule en 3D, " Balogh a déclaré. "L'un des objectifs sous-jacents est de mieux comprendre ce qui se passe dans ces très petits vaisseaux dans ces géométries complexes. Nous espérons qu'en étant capable de modéliser ce prochain niveau de détail, nous pourrons améliorer notre compréhension de ce qui se passe réellement au niveau de ces très petits navires. »

En matière de recherche contre le cancer, ce modèle peut avoir des implications énormes. "Ce code n'est que le début de quelque chose de vraiment grand, " dit Bagchi.

Dans le domaine médical aujourd'hui, il existe des systèmes d'imagerie avancés qui imagent le réseau capillaire des vaisseaux sanguins, mais il est parfois difficile pour ces systèmes d'imagerie de prédire le flux sanguin dans chaque vaisseau simultanément. "Maintenant, nous pouvons prendre ces images, les mettre dans notre modèle de calcul, et prédire même le mouvement de chaque cellule sanguine dans chaque vaisseau capillaire qui est dans l'image, " dit Bagchi.

C'est un énorme avantage car les chercheurs peuvent voir si le tissu reçoit suffisamment d'oxygène ou non. Dans la recherche contre le cancer, l'angiogenèse - le processus physiologique par lequel de nouveaux vaisseaux sanguins se forment à partir de vaisseaux préexistants - dépend de l'apport d'oxygène aux tissus.

L'équipe travaille également sur la modélisation de l'administration ciblée de médicaments, notamment pour le cancer. Dans cette approche, les nanoparticules sont utilisées pour transporter des médicaments et cibler l'emplacement spécifique de la maladie. Par exemple, si quelqu'un a un cancer du foie ou du pancréas, alors ces organes spécifiques sont ciblés. L'administration ciblée du médicament permet d'augmenter la dose du médicament afin que les autres organes ne soient pas endommagés et que les effets secondaires soient minimisés.

"La taille et la forme de ces nanoparticules déterminent l'efficacité de leur transport dans les vaisseaux sanguins, " a déclaré Bagchi. "Nous pensons que l'architecture de ces réseaux capillaires déterminera la qualité de livraison de ces particules. L'architecture varie d'un orgue à l'autre. Le code de calcul que nous avons développé nous aide à comprendre comment l'architecture de ces réseaux capillaires affecte le transport de ces nanoparticules dans différents organes."

Cette recherche a utilisé des simulations informatiques pour répondre à des questions telles que :avec quelle précision un chercheur peut-il capturer les détails de chaque cellule sanguine dans des géométries complexes ? Comment cela peut-il être réalisé en 3D ? Comment prendre en compte les nombreuses interactions entre ces cellules et vaisseaux sanguins ?

« Pour ce faire, nous avons besoin de grandes ressources informatiques, " a déclaré Bagchi. " Mon groupe a travaillé sur ce problème en utilisant les ressources XSEDE du Texas Advanced Computing Center. Nous avons utilisé Stampede1 pour développer notre technique de simulation, et bientôt nous passerons à Stampede2 car nous ferons des simulations encore plus importantes. Nous utilisons Ranch pour stocker des téraoctets de nos données de simulation."

L'environnement de découverte scientifique et technique eXtreme (XSEDE) est une organisation virtuelle financée par la National Science Foundation qui intègre et coordonne le partage de services numériques avancés, notamment des superordinateurs et des ressources de visualisation et d'analyse de données haut de gamme, avec des chercheurs à l'échelle nationale pour soutenir la science. Débandade1, Débandade2, et Ranch sont des ressources allouées par XSEDE.

Les simulations rapportées dans le document ont pris quelques semaines de simulation continue et ont abouti à des téraoctets de données.

En ce qui concerne la façon dont cette recherche aidera la communauté médicale, Bagchi a déclaré :« Sur la base d'une image de vaisseaux sanguins capillaires dans une tumeur, nous pouvons le simuler en 3D et prédire la distribution du flux sanguin et des médicaments nanoparticulaires à l'intérieur du système vasculaire tumoral, et, peut-être, déterminer la taille optimale, forme et autres propriétés des nanoparticules pour une livraison plus efficace, " a déclaré Bagchi. "C'est quelque chose que nous examinerons à l'avenir."