血管生长的计算机模拟(w /视频)
犹他大学的工程师们显示小血管周围组织生长更好的在实验室里如果密度较低。然后研究人员创建了一个计算机模拟预测准确,这种增长提前一步治疗提供血液供应组织受损的糖尿病和心脏病发作和皮肤移植和植入的韧带和肌腱。
“更好的理解过程,调节血管的增长使我们的最终开发新的治疗相关疾病血管生长”,为了更好地理解癌症转移,生物工程教授Jeff Weiss说大学的科学计算图像研究所。
维斯和洛厄尔埃德加,在生物工程博士后,周三发表了他们的研究,1月22日,在公共科学图书馆的在线杂志《公共科学图书馆•综合》。
像一些先前的研究,他们表明,称为毛细血管生长的微小血管,分支和互连最好时,周围组织的密度-被称为“细胞外基质”较低,而不是更高。但与早期的研究中,他们使用的真正的血管从老鼠而不是单个细胞,并开发一个准确如果简化过程的计算机模拟。
早期的研究也集中在细胞外基质,使主要的胶原蛋白发送化学信号,促进毛细血管的生长。犹他州研究更侧重于如何胶原蛋白的机械或物理性质——具体来说,矩阵的密度或“刚度”——影响血管生长。他们实验室的实验和计算机模拟表明,密度或硬胶原蛋白矩阵越困难,血管形成网络需要供应血液活组织。这直接影响治疗或接受新组织植入人体。
在受伤或接受植皮手术,身体触发“血管生成”——身体的从现有创建新血管的过程。
“当人们工程师替换体内组织使用人工或自然韧带和肌腱,例如,一个限制是招募的血液供应的能力身体”链接植入人体的血管,Weiss说。
血管植入组织越来越长,发芽,招募其他船只和创建一个毛细血管网络,提供氧气的血液滋养受损或新领域。然而,招聘大面积经常失败,预防治疗或接受新的,植入组织。
通过更好地了解周围组织的机械作用密度在血管形成,工程师们可以准备“prevascularized”植入组织已经配备相匹配的血管病人的血管结构。
“成功的治疗,你必须创建匹配主机血管血管结构,否则你不能提供适当的治疗,”埃德加说。
生物工程血管植入,糖尿病,心脏病
这项新研究最终目的是工程替代组织的血液供应,可以用来治疗各种疾病,可能至少5年,更有可能10年后,Weiss说。
更加精巧组织毛细血管可以增强韧带和肌腱的重建,帮助新组织与现有的血管网络,Weiss说。
Prevascularized组织也可以帮助糖尿病患者的伤口愈合缓慢——如果有的话——因为血液微循环障碍。植入皮肤移植的血管可以刺激血液循环促进糖尿病溃疡的愈合。
维斯设想prevascularized补丁修复心脏病发作心肌受损当切断了心脏的氧气供应的一部分,把一些心变成僵硬的疤痕组织。一块组织植入的疤痕组织可能会鼓励血管再生修复受损,缺氧心肌。
“如果我们能revascularize受损心脏的一部分,它可能会恢复其功能,”Weiss说。
至于癌症转移,大多数肿瘤开始密集,游离。肿瘤的生长和扩散,与含氧诱导身体刺激血管。
的血管生长,然后为肿瘤提供一个途径传播,”Weiss说。“这项研究将帮助我们理解的物理参数控制是否达到肿瘤血管。”
增加血管Jell-O-like胶原模具
虽然这并不是第一个研究的毛细血管网络形式如何,犹他大学的工程师们唯一真正的血管在实验室里和开发了一种三维过程的计算机模拟。这种方法使研究人员能够验证一个密集的胶原基质受损血管生长。
生长的血管网络,研究人员从脂肪组织中提取血管片段的老鼠,并悬浮在液体。这个提取包含35000个血管片段每毫升(五分之一茶匙)的解决方案。
血管片段与微小的一种生长在塑料基板井满胶状胶原蛋白作为细胞外基质,让人想起果冻。胶原蛋白是结缔组织的主要成分和真实的细胞外基质,发现在不同密度在整个身体。井是0.6英寸宽,0.1英寸深。
研究人员培养大鼠血管片段六天的井与胶原蛋白的三个密度:2、3和4毫克每毫升的胶原蛋白的解决方案。船只与胶原蛋白的生长和分支,有更少的死角和彼此相互联系比血管生长在密度较高的胶原蛋白。这些血管网络镜像在生活中发现的哺乳动物。
模拟和预测船舶增长和一台电脑
血管生长在实验室提供的数据总长度的船只,他们连接到一个网络的程度或血管,血管分支的数量和死角。这个数据让他们三维计算机模拟程序,准确预测血管网络的形成基于胶原基质密度。
”现在,我们可以回答各种各样的“如果”的问题这些组织的几何形状、边界、初始密度和力学性能,”Weiss说。“我们可以使用电脑来预测的影响,这些因素在血管网络结构的布局。”
三维计算机模拟的准确性也使研究人员模拟实验,在实验室无法完成一个模拟显示血管增长很容易从密集的胶原蛋白密度较低,而不是相反。第二个显示船舶在胶原蛋白除一块致密的胶原蛋白被放置在中心密度较低的胶原蛋白。第三仿真表明,当研究人员模拟两个乐队的致密胶原包围的严厉的胶原蛋白、神经血管增长以及低密度的乐队。
美国国立卫生研究院资助的这项研究。犹他大学的合作者是克莱顿安德伍德,生物工程博士后研究助理教授和詹姆斯·Guilkey机械工程。关键作者詹姆斯·霍伊是在肯塔基州路易斯维尔大学的教授。维斯也认为长期合作者亚利桑那大学教授一致Utzinger他的帮助。
