Триллионы клеток — от эритроцитов до иммунных и опухолевых — постоянно движутся по сосудам человеческого тела. Точные механизмы их перемещения до сих пор остаются загадкой для медицины и инженерии, поскольку прямая визуализация и отслеживание клеток в реальном времени крайне затруднены. Именно поэтому группа японских ученых под руководством доцента Наоки Такеиши из инженерного факультета Университета Кюсю решила смоделировать эти процессы с помощью численных методов.
Исследование, опубликованное в журнале Journal of Fluid Mechanics, важно для создания микрофлюидных устройств, диагностики заболеваний и совершенствования искусственных органов, включая искусственные сердца. Основная задача — понять, как именно клетки ведут себя в условиях пульсирующего кровотока, который характерен для живого организма.
В своей работе команда использовала численные симуляции, где клетки моделировались как деформируемые «капсулы». Эти капсулы помещались в виртуальную трубку с пульсирующим потоком, имитируя условия кровеносного сосуда. Для выполнения расчетов потребовались значительные вычислительные ресурсы.
Наоки Такеиши отмечает: «Чтобы лучше понять поведение клеток в неустойчивом потоке, мы создали численную модель, имитирующую физику клеток в трубках с пульсирующим потоком». Такой подход позволил проследить, как изменения формы капсулы и частота пульсации потока влияют на положение клетки внутри сосуда.
Ключевое открытие состоит в том, что положение клетки в потоке зависит не только от ее способности деформироваться, но и от частоты пульсации. «Наши результаты показывают, что поведение гибких частиц, подобных биологическим клеткам, в потоке зависит не только от степени деформации — это уже было известно ранее, — но и от частоты пульсации», — поясняет Наоки Такеиши.
При определенных частотах капсулы вытягиваются и сжимаются, после чего стабильно смещаются от центра трубки к областям с более медленным течением. При этом увеличение скорости потока не меняет ту частоту пульсации, при которой возникает подобное смещение. В условиях медленного течения капсулы быстрее возвращаются к центру трубки. Исследователи отмечают, что положение капсул можно контролировать, изменяя частоту пульсации: «Более того, мы можем управлять положением капсулы, регулируя эту частоту».
Такая управляемость открывает новые горизонты для технологий разделения и сортировки клеток. Особую актуальность это приобретает для выделения опухолевых клеток из крови пациентов с онкологическими заболеваниями. Точные методы контроля движения клеток в микрофлюидных устройствах позволят повысить эффективность диагностики и терапии.
Результаты важны и для проектирования искусственных органов — например, сердца и сосудов. Сейчас не существует единого мнения о том, какой характер кровотока — постоянный или пульсирующий — оптимален для искусственных сердец. «В настоящее время нет биологического консенсуса по поводу того, какой тип кровотока предпочтительнее в искусственных сердцах. Наши численные результаты формируют фундамент для дальнейших исследований», — подчеркивает Наоки Такеиши.
Применение симуляций такого уровня требует мощных вычислительных систем, однако полученные данные закладывают основу для будущих инженерных решений, расширяя возможности управления поведением клеток в проточных системах. Новые методы моделирования и контроля могут уже в ближайшие годы изменить подходы к диагностике, лечению и созданию медицинских устройств.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование, опубликованное в журнале Journal of Fluid Mechanics, важно для создания микрофлюидных устройств, диагностики заболеваний и совершенствования искусственных органов, включая искусственные сердца. Основная задача — понять, как именно клетки ведут себя в условиях пульсирующего кровотока, который характерен для живого организма.
В своей работе команда использовала численные симуляции, где клетки моделировались как деформируемые «капсулы». Эти капсулы помещались в виртуальную трубку с пульсирующим потоком, имитируя условия кровеносного сосуда. Для выполнения расчетов потребовались значительные вычислительные ресурсы.
Наоки Такеиши отмечает: «Чтобы лучше понять поведение клеток в неустойчивом потоке, мы создали численную модель, имитирующую физику клеток в трубках с пульсирующим потоком». Такой подход позволил проследить, как изменения формы капсулы и частота пульсации потока влияют на положение клетки внутри сосуда.
Ключевое открытие состоит в том, что положение клетки в потоке зависит не только от ее способности деформироваться, но и от частоты пульсации. «Наши результаты показывают, что поведение гибких частиц, подобных биологическим клеткам, в потоке зависит не только от степени деформации — это уже было известно ранее, — но и от частоты пульсации», — поясняет Наоки Такеиши.
При определенных частотах капсулы вытягиваются и сжимаются, после чего стабильно смещаются от центра трубки к областям с более медленным течением. При этом увеличение скорости потока не меняет ту частоту пульсации, при которой возникает подобное смещение. В условиях медленного течения капсулы быстрее возвращаются к центру трубки. Исследователи отмечают, что положение капсул можно контролировать, изменяя частоту пульсации: «Более того, мы можем управлять положением капсулы, регулируя эту частоту».
Такая управляемость открывает новые горизонты для технологий разделения и сортировки клеток. Особую актуальность это приобретает для выделения опухолевых клеток из крови пациентов с онкологическими заболеваниями. Точные методы контроля движения клеток в микрофлюидных устройствах позволят повысить эффективность диагностики и терапии.
Результаты важны и для проектирования искусственных органов — например, сердца и сосудов. Сейчас не существует единого мнения о том, какой характер кровотока — постоянный или пульсирующий — оптимален для искусственных сердец. «В настоящее время нет биологического консенсуса по поводу того, какой тип кровотока предпочтительнее в искусственных сердцах. Наши численные результаты формируют фундамент для дальнейших исследований», — подчеркивает Наоки Такеиши.
Применение симуляций такого уровня требует мощных вычислительных систем, однако полученные данные закладывают основу для будущих инженерных решений, расширяя возможности управления поведением клеток в проточных системах. Новые методы моделирования и контроля могут уже в ближайшие годы изменить подходы к диагностике, лечению и созданию медицинских устройств.
