Escala de simulación de la sangre humana es de gran ayuda a la medicina personalizada

Marcha 20, 2016 Admin Salud 0 4
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Ahora, un equipo de ingenieros y hematólogos de la Universidad de Pennsylvania biomédicas ha realizado simulaciones a gran escala de la operación en condiciones de flujo de sangre se encuentran en los vasos sanguíneos del paciente específico, utilizando robots para realizar cientos de pruebas en plaquetas humanas responden a las combinaciones de agentes que causan la activación de la coagulación.

Su trabajo fue publicado en la revista Blood.




La información específica sobre cómo las plaquetas de los pacientes forman coágulos de sangre puede ser una parte vital de la cura. Normalmente, los coágulos evitan los sangrados, pero también pueden causar ataques al corazón cuando se forman en las arterias coronarias de la placa de carga. Varios fármacos como la aspirina, se utilizan para reducir el tamaño de tales coágulos y prevenir ataques cardíacos, pero, como plaquetas varían de persona a persona, la eficacia de estos fármacos difiere también.

"Las plaquetas son como las computadoras, ya que integrar muchas señales y tomar una decisión compleja de lo que debe hacer", dijo el autor principal de Scott Diamond, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. "Nos interesaba saber si podíamos hacer suficientes mediciones en el laboratorio para detectar las pequeñas diferencias que hacen que cada uno de nosotros sea único. Sería imposible que ver con las células del hígado, el corazón o el cerebro. Pero podemos conseguir fácilmente un tubo de sangre de cada donante y ejecutar las pruebas de liberación de plaquetas del fútbol ".

Cuando las plaquetas están expuestos a condiciones de corte y, en una situación más peligrosa, una ruptura de la placa aterosclerótica, responden al elevar el calcio interno, que provoca la liberación de dos productos químicos, tromboxano y ADP. Estos dos agentes activadores mejoran aún más los niveles de calcio y son el blanco de antiagregantes plaquetarios como la aspirina o clopidogrel común, también conocido como Plavix. Evitando que las plaquetas de aumentar sus niveles de calcio, estos medicamentos hacen que sean menos capaces de estar juntos y bloquear los vasos sanguíneos, reduciendo la posibilidad de un ataque al corazón.

Puesto que la sangre es un líquido, el robot de manejo de líquidos originalmente desarrollado para la detección de drogas pruebas eran ideales para el ensayo de la función plaquetaria.

"Utilizamos una técnica desarrollada en nuestro laboratorio llamado 'escaneo agonista pares' en las plaquetas de tres donantes diferentes para generar un gran conjunto de datos de la forma en que sus células respondieron a todos los diferentes pares de estos agentes de activación", dijo Diamond. "Entonces nos entrenamos modelos de redes neuronales para cada donante sobre la base de estos datos para simular cómo cada célula de un coágulo de sangre respuestas."

Las redes neuronales son una forma de ver la relación entre las entradas y salidas de procesos muy complejos, en lugar de los detalles del proceso.

"Resumimos la función general de todas las redes de reacciones químicas que ocurren dentro de una sola plaquetas", dijo Diamond.

Estudiante de doctorado y autor principal Matt Flamm desarrolló un modelo de computadora multi-escala poderosa que puebla una simulación de sangre que fluye en un sitio de lesión de los vasos con miles de plaquetas cuyos comportamientos derivar a partir del modelo de redes neuronales desarrollado para cada paciente.

"Esta es la primera vez que era posible predecir la coagulación de la sangre bajo flujo utilizando paciente específico de plaquetas", dijo Flamm. "Hemos sido capaces de predecir el poder de anuncios fármacos diferentes."

Para demostrar que las simulaciones por ordenador les permitió hacer predicciones precisas sobre el comportamiento de un solo plaquetas de donantes, los investigadores realizaron pruebas físicas. Utilice los dispositivos de microfluidos, correr decenas de exámenes de sangre cada muestra de sangre en condiciones de flujo venoso y arterial con diferentes fármacos.

La simulación por ordenador multi-escala para cada donante predijo respuestas de la droga de una manera muy precisa.

"También hemos identificado a una persona que era resistente a la aspirina", dijo Diamond, "y luego descubrió una nueva mutación genética en su gen receptor de tromboxano. La simulación por ordenador para ese donante identificado el defecto funcional antes de secuenciar el gen ".

Simulación multi-escala de la sangre del paciente-función específica es un ejemplo en el campo de rápido crecimiento de la biología de sistemas. Modelos Multi-escala requieren la comprensión de la señalización intracelular en miles de células individuales mediante la activación del sitio de la lesión del vaso sanguíneo y cálculos detallados de flujo de sangre y la difusión molecular.

"Los campos tales como el pronóstico del tiempo y plano de diseño simulan el flujo de aire", dijo Diamond, "En la medicina cardiovascular, nos encontramos con el fluido única forma individual y complejo sangre humana. Las áreas de investigación que impliquen la hemorragia traumática, apoplejía y trombosis venosa profunda puede beneficiarse simulaciones avanzadas de la función de la sangre ".

El desarrollo de las ecuaciones y algoritmos para modelar el flujo de sangre reactiva será muy útil en la predicción de riesgos clínicos, las respuestas de drogas y nuevos mecanismos de la enfermedad y en el diseño de dispositivos biomédicos.

La investigación fue realizada por los profesores de diamante y Talid Sinno y estudiantes de posgrado Flamm, Tom Colace y Manash Chatterjee de la Química y Biomolecular del Departamento de Ingeniería de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Lawrence F. Brass Perelman School del Departamento de Hematología y Oncología Medicina, Penn ha contribuido a la investigación.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud.

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