Математичне моделювання впливу параметрів агрегації та деформації еритроцитів на реологічні властивості крові.
DOI:
https://doi.org/10.30837/2522-9818.2024.4.142Ключові слова:
в’язкість крові; деформація еритроцитів; модуль зсуву; реологічні властивості крові.Анотація
Предметом дослідження є математичне моделювання реологічних властивостей крові, зокрема впливу основних параметрів, таких як гематокрит, сила агрегації еритроцитів, модуль зсуву та жорсткість на вигин, на зміну в’язкості крові. Аналізується взаємозв’язок між агрегаційними та деформаційними властивостями еритроцитів і реологічною поведінкою крові в умовах зсувного потоку. Мета роботи – математичне моделювання впливу основних фізичних і біологічних параметрів на реологічні властивості крові з використанням методу Dissipative Particle Dynamics (DPD) та моделі MS-RBC. Моделювання дає змогу дослідити, як зміни в показниках еритроцитів впливають на в’язкість крові за різних швидкостей зсуву, а також розробити прогностичні моделі для точного визначення реологічних властивостей крові, що має важливе значення для діагностики та лікування судинних захворювань. Завдання. Розробити математичну модель реологічних властивостей крові, яка бере до уваги зміни гематокриту, агрегацію еритроцитів, їх деформацію та модуль зсуву, із застосуванням методу Dissipative Particle Dynamics (DPD) для моделювання поведінки. Проаналізувати чутливості ключових параметрів моделі, зокрема рівень гематокриту й силу агрегації еритроцитів, а також визначити, як зміни зазначених параметрів впливають на реологічну поведінку крові. Методи дослідження: Dissipative Particle Dynamics (DPD) упроваджується для моделювання руху частинок (еритроцитів) в умовах зсувного потоку та вивчення неньютонівської поведінки крові. Цей метод дає змогу детально описати взаємодію між окремими компонентами крові з огляду на їх фізичні та біологічні параметри. MS-RBC (Multi-Scale Red Blood Cell) – це масштабна модель для опису механічних і реологічних властивостей еритроцитів у потоці крові, яка дає змогу розраховувати в’язкість крові залежно від швидкості зсуву, агрегації еритроцитів та їх деформації. Основні результати математичного моделювання реологічних властивостей крові демонструють, що в’язкість залежить від механічних властивостей еритроцитів, зокрема від модуля зсуву та сили агрегації еритроцитів. Залежність в’язкості від модуля зсуву була виражена лінійним рівнянням, що показало збільшення в’язкості за умови зростання модуля зсуву. Крім того, встановлено, що за низьких швидкостей зсуву в’язкість крові значно залежить від агрегації еритроцитів, тоді як у разі високих швидкостей зсуву важливішими є деформаційні властивості еритроцитів. Висновки. Моделювання агрегації еритроцитів та в’язкості крові сприяє більш точному прогнозуванню реологічних властивостей крові, зважаючи на механічні ознаки еритроцитів. Розроблені лінійні залежності між параметрами моделі та клінічними результатами дають змогу адаптувати моделі. Це уможливлює більш точному оцінюванню реологічних властивостей крові, що важливо для діагностики та лікування різноманітних судинних захворювань, пов’язаних з порушеннями агрегації еритроцитів.
Посилання
Список літератури
Cho Y. I., Mooney M. P., Cho D. J. Hemorheological disorders in diabetes mellitus. J Diabetes Sci Technol. 2008. №2(6). С. 1130–1138. DOI: 10.1177/193229680800200622
Maier C. L. COVID-19-associated hyperviscosity: a link between inflammation and thrombophilia? / Maier C. L. та ін. Lancet. 2020. №395(10239). С. 1758–1759. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)31209-5
Chien S. Effects of hematocrit and plasma proteins on human blood rheology at low shear rates. / Chien S., та ін. J Appl Physiol. 1966. №21(1). С. 81–87. DOI: 10.1152/jappl.1966.21.1.81
Chien S. Red cell deformability and its relevance to blood flow. Annu Rev Physiol. 1987. №49. С. 177–192. DOI: 10.1146/annurev.ph.49.030187.001141
Suresh S. Connections between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria. / Suresh S. та ін. Acta Biomater. 2005. №1(1). С. 15–30. DOI: 10.1016/j.actbio.2004.09.001
Shelby J. P A microfluidic model for single-cell capillary obstruction by Plasmodium falciparum-infected erythrocytes. / Shelby J. P. та ін. Proc Natl Acad Sci USA. 2003. №100(25). С. 14618–14622. DOI: 10.1073/pnas.2433968100
Flormann D. On the rheology of red blood cell suspensions with different amounts of dextran: separating the effect of aggregation and increase in viscosity of the suspending phase. / Flormann D. та ін. Rheologica Acta. 2016. №55. С. 477–483.
Baskurt O. K., Meiselman H. J., Cellular determinants of low-shear blood viscosity. Biorheology. 1997. №34(3). С. 235–247. DOI: 10.1016/S0006-355X(97)00027-9
Fedosov D. A. Computational biorheology of human blood flow in health and disease. / Fedosov D. A. та ін. Ann Biomed Eng. 2014. №42(2). С. 368–387. DOI: 10.1007/s10439-013-0922-3
Li X., Vlahovska P. M., Karniadakis G. E. Continuum- and particle-based modeling of shapes and dynamics of red blood cells in health and disease. Soft Matter. 2013. №9(1). С. 28–37. DOI: 10.1039/C2SM26891D
Ye T., Phan-Thien N., Lim C. T. Particle-based simulations of red blood cells – A review. J Biomech. 2016. №49 (11). С. 2255–2266. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.11.050
Han K. In silico modeling of patient-specific blood rheology in type 2 diabetes mellitus. / Han K. та ін. Biophys J. 2023. №122(8). С. 1445–1458. DOI: 10.1016/j.bpj.2023.03.010
Hoogerbrugge P. J., J. M. V. A Koelman., Simulating microscopic hydrodynamic phenomena with dissipative particle dynamics. Europhysics Letters. 1992. №19(3). С. 155.
Pan W., Caswell B., Karniadakis G. E., Rheology, microstructure and migration in Brownian colloidal suspensions. Langmuir. 2010. №26(1). С. 133–142. DOI: 10.1021/la902205x
Mai-Duy N. Coarse-graining, compressibility, and thermal fluctuation scaling in dissipative particle dynamics employed with pre-determined input parameters. / Mai-Duy N. та ін. Physics of Fluids. 2020. №32(5).
Fedosov D. A. Quantifying the biophysical characteristics of Plasmodium-falciparum-parasitized red blood cells in microcirculation. / Fedosov D. A. та ін. Proc Natl Acad Sci USA. 2011. №108(1). С. 35–39. DOI: 10.1073/pnas.1009492108
Fedosov D. A. A multiscale red blood cell model with accurate mechanics, rheology, and dynamics. / Fedosov D. A. та ін. Biophys J. 2010. №98(10). С. 2215–2225. DOI: 10.1016/j.bpj.2010.02.002.
Fedosov D. A. Predicting human blood viscosity in silico. / Fedosov D. A. та ін. Proc Natl Acad Sci USA. 2011. №108(29). С. 11772–11777. DOI: 10.1073/pnas.1101210108
Lei H., Karniadakis G. E. Quantifying the rheological and hemodynamic characteristics of sickle cell anemia. Biophys J. 2012. №102(2). С. 185–194. DOI: 10.1016/j.bpj.2011.12.006
References
Cho, Y. I., Mooney, M. P., Cho, D. J. (2008), "Hemorheological disorders in diabetes mellitus," J Diabetes Sci Technol, 2(6), Р. 1130–1138. DOI: 10.1177/193229680800200622
Maier, C. L., Truong, A. D., Auld, S. C., Polly, D. M., Tanksley, C. L., Duncan, A. (2020), "COVID-19-associated hyperviscosity: a link between inflammation and thrombophilia?", Lancet, 395(10239), Р. 1758–1759. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)31209-5
Chien, S., Usami, S., Taylor, H. M., Lundberg, J. L., Gregersen, M. I. (1966), "Effects of hematocrit and plasma proteins on human blood rheology at low shear rates," J Appl Physiol, 21(1), Р. 81–87. DOI: 10.1152/jappl.1966.21.1.81
Chien, S. (1987), "Red cell deformability and its relevance to blood flow," Annu Rev Physiol, 49, Р. 177–192. DOI: 10.1146/annurev.ph.49.030187.001141
Suresh, S., Spatz, J., Mills, J. P., Micoulet, A., Dao, M., Lim, C. T., Beil, M., Seufferlein, T. (2005), "Connections between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria," Acta Biomater, 1(1), Р. 15–30. DOI: 10.1016/j.actbio.2004.09.001
Shelby, J. P., White, J., Ganesan, K., Rathod, P. K., Chiu, D. T. (2003), "A microfluidic model for single-cell capillary obstruction by Plasmodium falciparum-infected erythrocytes," Proc Natl Acad Sci USA, 100(25), Р. 14618–14622. DOI: 10.1073/pnas.2433968100
Flormann, D., et al. (2016), "On the rheology of red blood cell suspensions with different amounts of dextran: separating the effect of aggregation and increase in viscosity of the suspending phase," Rheologica Acta, 55, Р. 477–483.
Baskurt, O. K., Meiselman, H. J. (1997), "Cellular determinants of low-shear blood viscosity," Biorheology, 34(3), Р. 235–247. DOI: 10.1016/S0006-355X(97)00027-9
Fedosov, D. A., Dao, M., Karniadakis, G. E., Suresh, S. (2014), "Computational biorheology of human blood flow in health and disease," Ann Biomed Eng, 42(2), Р. 368–387. DOI: 10.1007/s10439-013-0922-3
Li, X., Vlahovska, P. M., Karniadakis, G. E. (2013), "Continuum- and particle-based modeling of shapes and dynamics of red blood cells in health and disease," Soft Matter, 9(1), Р. 28–37. DOI: 10.1039/C2SM26891D
Ye, T., Phan-Thien, N., Lim, C. T. (2016), "Particle-based simulations of red blood cells: A review," J Biomech, 49(11), Р. 2255–2266. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.11.050
Han, K., Ma, S., Sun, J., Xu, M., Qi, X., Wang, S., Li, L., Li, X. (2023), "In silico modeling of patient-specific blood rheology in type 2 diabetes mellitus," Biophys J, 122(8), Р. 1445–1458. DOI: 10.1016/j.bpj.2023.03.010
Hoogerbrugge, P. J., Koelman, J. M. V. A. (1992), "Simulating microscopic hydrodynamic phenomena with dissipative particle dynamics," Europhysics Letters, 19(3), 155 р.
Pan, W., Caswell, B., Karniadakis, G. E. (2010), "Rheology, microstructure, and migration in Brownian colloidal suspensions," Langmuir, 26(1), Р. 133–142. DOI: 10.1021/la902205x
Mai-Duy, N., et al. (2020), "Coarse-graining, compressibility, and thermal fluctuation scaling in dissipative particle dynamics employed with pre-determined input parameters," Physics of Fluids, 32(5).
Fedosov, D. A., Caswell, B., Suresh, S., Karniadakis, G. E. (2011), "Quantifying the biophysical characteristics of Plasmodium-falciparum-parasitized red blood cells in microcirculation," Proc Natl Acad Sci USA, 108(1), Р. 35–39. DOI: 10.1073/pnas.1009492108
Fedosov, D. A., Caswell, B., Karniadakis, G. E. (2010), "A multiscale red blood cell model with accurate mechanics, rheology, and dynamics," Biophys J, 98(10), Р. 2215–2225. DOI: 10.1016/j.bpj.2010.02.002
Fedosov, D. A., Pan, W., Caswell, B., Gompper, G., Karniadakis, G. E. (2011), "Predicting human blood viscosity in silico," Proc Natl Acad Sci USA, 108(29), Р. 11772–11777. DOI: 10.1073/pnas.1101210108
Lei, H., Karniadakis, G. E. (2012), "Quantifying the rheological and hemodynamic characteristics of sickle cell anemia," Biophys J, 102(2), Р. 185–194. DOI: 10.1016/j.bpj.2011.12.006
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons для журналів відкритого доступу.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License (CC BY-NC-SA 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо не комерційного та не ексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису опублікованої роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
