Сердечные приступы и инсульты – основные причины смерти людей – в основном представляют собой сгустки крови в сердце и головном мозге. Лучшее понимание того, как работает процесс свертывания крови и как ускорить или замедлить свертывание, в зависимости от медицинских потребностей, может спасти жизни.
Новое исследование Технологического института Джорджии и Университета Эмори, опубликованное в журнале Biomaterials, проливает новый свет на механику и физику свертывания крови путем моделирования динамики, происходящей во время все еще плохо изученной фазы свертывания крови, называемой сокращением сгустка.
"Свертывание крови на самом деле является физическим явлением, которое должно произойти, чтобы остановить кровотечение после травмы," сказал Уилбур А. Лам, Вт. Пол Бауэрс, научный руководитель отделения педиатрии и Уоллес Х. Колтер Департамент биомедицинской инженерии в Технологическом университете Джорджии и Эмори. "Биология известна. Биохимия известна. Но как это в конечном итоге переводится в физику – это неизведанная область."
И это проблема, утверждают Лам и его коллеги-исследователи, поскольку в конечном итоге свертывание крови "насколько хорошо тело может запечатать этот поврежденный кровеносный сосуд, чтобы остановить кровотечение, или, когда это идет не так, как организм случайно образует сгустки в наших сердечных сосудах или в нашем мозгу?"
Как работает свертывание крови
Рабочими лошадками для стволового кровотечения являются тромбоциты – крошечные 2-микрометровые клетки в крови, отвечающие за создание начальной пробки. Образующийся сгусток называется фибрином, который действует как клеевой каркас, к которому тромбоциты прикрепляются и оттягиваются. Сокращение тромба возникает, когда эти тромбоциты взаимодействуют с фибриновым каркасом. Чтобы продемонстрировать сокращение, исследователи встроили 3-миллиметровую форму Jell-O фигуры LEGO с миллионами тромбоцитов и фибрина, чтобы воссоздать упрощенную версию сгустка крови.
"Мы не знаем, как это работает?”Каковы сроки, чтобы все эти клетки работали вместе – все ли они работают одновременно?”?’Это фундаментальные вопросы, на которые мы работали вместе, чтобы ответить," Лам сказал.
Лаборатория Лама сотрудничала с группой моделирования и моделирования сложных жидкостей Технологического института Джорджии, возглавляемой Александром Алексеевым, профессором и научным сотрудником факультета Андерера в лаборатории Джорджа В. Школа машиностроения Вудраффа, чтобы создать вычислительную модель сжимающегося сгустка. Модель включает фибриновые волокна, образующие трехмерную сеть, и распределенные тромбоциты, которые могут расширять филоподии, или структуры, похожие на щупальца, которые выходят из клеток, чтобы они могли прикрепляться к определенным поверхностям, чтобы тянуть соседние волокна.
Модель показывает, что тромбоциты резко сокращают объем сгустка
Когда исследователи смоделировали сгусток, в котором одновременно активировалась большая группа тромбоцитов, крошечные клетки могли достигать только ближайших фибринов, потому что тромбоциты могут расширять довольно короткие филоподии, менее 6 микрометров. "Но при травме сначала сокращаются некоторые тромбоциты. Они сжимают сгусток, чтобы другие тромбоциты видели больше фибринов поблизости, и это эффективно увеличивает силу сгустка," Алексеев объяснил. Из-за асинхронной активности тромбоцитов увеличение силы может достигать 70%, что приводит к уменьшению объема сгустка на 90%.
"Моделирование показало, что тромбоциты работают лучше всего, когда они не полностью синхронизированы друг с другом," Лам сказал. "Эти тромбоциты на самом деле тянутся в разное время и тем самым повышают эффективность (сгустка)."
Это явление, получившее название асинхронного механического усиления, наиболее ярко выражено "когда у нас есть правильная концентрация тромбоцитов, соответствующая концентрации здоровых пациентов," Алексеев сказал.
Исследования могут привести к лучшим способам лечения свертывания крови и кровотечений
По словам Лам, который занимается лечением маленьких пациентов с заболеваниями крови в качестве детского гематолога в Центре рака и болезней крови Афлак при Детском здравоохранении Атланты, результаты могут открыть возможности для лечения людей с проблемами свертывания крови.
"Если мы знаем, почему это происходит, у нас есть совершенно новый потенциальный путь лечения заболеваний свертывания крови," он сказал, подчеркнув, что сердечные приступы и инсульты происходят, когда этот биофизический процесс идет не так.
Лам объяснил, что точная настройка процесса сокращения, чтобы сделать его более быстрым или более устойчивым, может помочь пациентам, у которых кровотечение из-за автомобильной аварии, или, в случае сердечного приступа, сделать свертывание менее интенсивным и замедлить его.
"Понимание физики этого сокращения сгустка потенциально может привести к новым способам лечения проблем с кровотечением и проблем со свертыванием."
Алексеев добавил, что их исследования также могут привести к появлению новых биоматериалов, таких как новый тип пластыря, который может помочь ускорить процесс свертывания крови.
Первый автор и доктор технических наук Джорджии.D. Кандидат Юэи Сун отметил простоту модели и тот факт, что моделирование позволило команде понять, как тромбоциты работают вместе, сокращая сгусток фибрина, как в организме.
"Когда мы начали включать гетерогенную активацию, внезапно это дало нам правильное сокращение объема," она сказала. "Позволить тромбоцитам иметь некоторую временную задержку, чтобы можно было использовать то, что делали предыдущие, как лучшую отправную точку, было действительно здорово. Я думаю, что наша модель потенциально может быть использована в качестве руководства для разработки новых активных биологических и синтетических материалов."
Сан согласилась со своими коллегами-исследователями, что это явление может происходить и в других аспектах природы. Например, несколько асинхронных приводов могут более эффективно складывать большую сетку для повышения эффективности упаковки без необходимости включения дополнительных приводов.
"Теоретически это может быть инженерный принцип," Лам сказал. "Чтобы рана уменьшилась в размерах, возможно, у нас не происходит одновременного протекания химических реакций – возможно, у нас разные химические реакции, протекающие в разное время. Вы получаете лучшую эффективность и сокращение, когда один позволяет половине или всем тромбоцитам выполнять работу вместе."
Основываясь на исследовании, Sun надеется более внимательно изучить, как сила одиночной тромбоциты преобразуется или передается в силу сгустка, и сколько силы требуется для удержания двух сторон графика вместе с точки зрения толщины и ширины. Sun также намерена включить в свою модель эритроциты, поскольку они составляют 40% всей крови и играют роль в определении размера сгустка.
"Если ваши эритроциты слишком легко захватываются сгустком, то у вас, скорее всего, будет большой сгусток, который вызывает проблему тромбоза," она объяснила.