Simulazione su larga scala del sangue umano è manna per la medicina personalizzata

Marzo 23, 2016 Admin Salute 0 4
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Ora, un team di ingegneri biomedici e ematologi presso l'Università della Pennsylvania ha fatto su larga scala, simulazioni di funzionamento sangue sotto le condizioni di flusso si trovano in vasi sanguigni specifici del paziente, utilizzando robot per eseguire centinaia di test su piastrine umane rispondono a combinazioni di agenti che causano la coagulazione attivazione.

Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Blood.




Informazioni specifiche dei pazienti su come le piastrine formano coaguli di sangue può essere una parte vitale della cura. Normalmente, coaguli prevenire il sanguinamento, ma possono anche causare attacchi di cuore quando si formano nelle arterie coronarie placca-carico. Diversi farmaci quali aspirina, sono utilizzati per ridurre la dimensione di tali coaguli e prevenire gli attacchi cardiaci, ma, come piastrine variano da persona a persona, l'efficacia di tali farmaci differisce pure.

"Piastrine sono come i computer, in quanto integrano molti segnali e fanno un complesso decisione di cosa fare", ha detto l'autore senior Scott Diamond, professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate. "Eravamo interessati a sapere se potevamo fare abbastanza misurazioni in laboratorio per rilevare le piccole differenze che rendono unico ciascuno di noi. Sarebbe impossibile farlo con le cellule del fegato, del cuore o il cervello. Ma possiamo ottenere facilmente un tubo di sangue da ogni donatore e eseguire i test di rilascio delle piastrine del calcio. "

Quando piastrine sono esposti alle condizioni di taglio e, in una situazione più pericolosa, una placca aterosclerotica rottura, rispondono elevando loro calcio interno, che provoca il rilascio di due prodotti chimici, trombossano e ADP. Questi due agenti attivanti migliorare ulteriormente i livelli di calcio e sono i bersagli di farmaci anti-piastrinici comuni come l'aspirina o clopidogrel, noto anche come Plavix. Impedendo piastrine di aumentare i loro livelli di calcio, questi farmaci li rendono meno capaci di stare insieme e bloccare i vasi sanguigni, riducendo la probabilità di un attacco di cuore.

Dal momento che il sangue è un liquido, i robot-liquido gestione originariamente sviluppati per i test di screening di stupefacenti erano ideali per testare la funzione piastrinica.

"Abbiamo usato una tecnica sviluppata nel nostro laboratorio chiamato 'scanning agonista a coppie' sulle piastrine di tre diversi donatori per generare un insieme di dati enorme di come le loro cellule hanno risposto a tutte le diverse coppie di questi agenti attivanti,", ha detto Diamond. "Poi ci siamo allenati modelli di reti neurali per ogni donatore sulla base di questi dati per simulare come ogni cellula in un coagulo di sangue risponde."

Le reti neurali sono un modo di guardare il rapporto tra ingressi e uscite per i processi molto complessi, piuttosto che i dettagli del processo.

"Si riassumono la funzione generale di tutte le reti di reazioni chimiche che si verificano all'interno di un singolo piastrine", ha detto Diamond.

Dottorando e autore principale Matt Flamm ha sviluppato un potente modello di computer multi-scala che popola una simulazione di sangue che scorre su un sito di danno nave con migliaia di piastrine di cui i comportamenti derivano dal modello di rete neurale sviluppato per ogni paziente.

"Questa è la prima volta che è stato possibile prevedere la coagulazione del sangue in condizioni di flusso mediante piastrine specifiche del paziente", ha detto Flamm. "Siamo stati in grado di predire la potenza classificato di diversi farmaci."

Per dimostrare che le simulazioni al computer ha permesso loro di fare previsioni accurate sul comportamento delle piastrine di un singolo donatore, i ricercatori hanno effettuato test di fisica. Utilizzare i dispositivi microfluidica, correvano decine di esami del sangue ad ogni campione di sangue in condizioni di flusso venoso e arterioso con diversi farmaci.

La simulazione al computer multi-scala per ciascun donatore ha predetto le risposte della droga in modo molto preciso.

"Abbiamo identificato anche una persona che era resistente all'aspirina", ha detto Diamond, "e poi scoperto una mutazione genetica romanzo in loro gene del recettore del trombossano. La simulazione al computer per quel donatore identificato il difetto funzionale prima ancora sequenziato il gene."

Multi-scala, simulazione di sangue la funzione specifica-paziente è un esempio nel campo in rapida crescita della biologia dei sistemi. Modelli multi-scala richiedono la comprensione della segnalazione intracellulare in migliaia di singole cellule attivando al sito di vaso sanguigno danneggiato e calcoli dettagliati del flusso sanguigno e diffusione molecolare.

"Campi come previsione del tempo e del design aereo simulare il flusso d'aria", ha detto Diamond, "In medicina cardiovascolare, incontriamo il fluido individualmente unico e complesso di sangue umano. Le aree di ricerca che coinvolgono emorragia traumatica, ictus e trombosi venosa profonda può beneficiare simulazioni avanzate della funzione di sangue. "

Lo sviluppo di equazioni e algoritmi per modellare reattiva flusso di sangue sarà molto utile nel prevedere i rischi clinici, le risposte di droga e nuovi meccanismi di malattia e nella progettazione di dispositivi biomedici.

La ricerca è stata condotta dai professori Diamante e Talid Sinno e dottorandi Flamm, Tom Colace e Manash Chatterjee della chimica e biomolecolare Dipartimento di Ingegneria presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate. Lawrence F. Brass di Perelman School of Medicine Dipartimento di Ematologia e Oncologia del Penn ha contribuito alla ricerca.

La ricerca è stata sostenuta dal National Institutes of Health.

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