[論文レビュー] Multi-Constituent Simulation of Thrombus Deposition

Wei‐Tao Wu, Megan A. Jamiolkowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Blood properties and coagulation参考文献 74被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、流体-固体混合系内における10種の生物学的・化学種の対流-反応-拡散方程式を結合することで、血管およびマイクロチャネル内での血栓形成をシミュレートするマルチコンstitュエント計算モデルを提示している。このモデルは、in vivoおよびin vitroの両設定において、空間的・時間的パターンの観点で実験データと強く一致する血栓成長を正確に予測し、血栓形成性デバイスの設計に向けた予測ツールを提供する。

ABSTRACT

In this paper, we present a spatio-temporal mathematical model for simulating the formation and growth of a thrombus. Blood is treated as a multi-constituent mixture comprised of a linear fluid phase and a thrombus (solid) phase. The transport and reactions of 10 chemical and biological species are incorporated using a system of coupled convection-reaction-diffusion (CRD) equations to represent three processes in thrombus formation: initiation, propagation and stabilization. Computational fluid dynamic (CFD) simulations using the libraries of OpenFOAM were performed for two illustrative benchmark problems: in vivo thrombus growth in an injured blood vessel and in vitro thrombus deposition in micro-channels (1.5mm x 1.6mm x 0.1mm) with small crevices (125μm x 75μm and 125μm x 137μm). For both problems, the simulated thrombus deposition agreed very well with experimental observations, both spatially and temporally. Based on the success with these two benchmark problems, which have very different flow conditions and biological environments, we believe that the current model will provide useful insight into the genesis of thrombosis in blood-wetted devices, and provide a tool for the design of less thrombogenic devices.

研究の動機と目的

• 血栓形成の開始、拡大、安定化のプロセスを捉える空間的・時間的数学的モデルの構築を目的とする。
• 現実的な生物学的および流体動力学的条件下で、複雑な血流環境における血栓付着をシミュレートすることを目的とする。
• in vivoの損傷血管およびin vitroのマイクロチャネル構成からの実験データを用いて、モデルの妥当性を検証することを目的とする。
• 血液接触医療機器の血栓形成性を評価するための予測フレームワークを提供することを目的とする。
• 単一の計算フレームワーク内でマルチコンstitュエント流体動力学と生化学的反応ネットワークを統合することを目的とする。

提案手法

• 血液を二相混合系としてモデル化：線形粘性流体相と固体血栓相を含む。
• 主要な凝固因子および細胞成分の10本の結合された対流-反応-拡散（CRD）方程式系を定式化する。
• 複雑な幾何形状における支配方程式の解法に、OpenFOAMの計算流体力学ライブラリを用いる。
• トロンビン生成、血小板活性化、フィibrイン形成の生化学的反応を組み込み、血栓形成の開始、拡大、安定化を表現する。
• 2つのベンチマークケースをシミュレートする：損傷した血管内での血栓成長および小さな亀裂を有するマイクロチャネル内での付着。
• 生理的妥当性を確保するため、実験データに基づいた実際の境界条件および初期濃度を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な流れ環境において、マルチコンstitュエントCFDモデルは、血栓形成の空間的・時間的進化をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 10種の生化学的種を含めることで、血栓成長シミュレーションの予測能力はどの程度向上するか？
• RQ3 本モデルは、in vivoおよびin vitro両設定において、実験的に観察された血栓の形態および成長キネティクスを再現できるか？
• RQ4 異なる血流条件および幾何的特徴は、血栓付着パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ5 本モデルは、血液接触医療機器の血栓形成可能性を信頼できるツールとして活用できるか？

主な発見

• 損傷した血管内での血栓付着パターンについて、本モデルは空間的分布および時間的進行の両面で実験観察と一致した。
• 125 µm × 75 µmおよび125 µm × 137 µmの亀裂を有するマイクロチャネルのシミュレーションにおいて、本モデルは実験的に観察された血栓成長および形態を高い忠実度で再現した。
• 異なる流れ条件下で、シミュレートされた血栓成長速度および最終サイズは、in vitroの実験データと定量的に整合した。
• 本モデルは、CRD系内における10種の生化学的種のダイナミックな相互作用を通じて、開始段階から安定化段階への移行を捉えた。
• 2つの異なる流れおよび生物学的環境において、シミュレーションと実験の一致は強く、本モデルの一般化可能性を裏付けた。
• 結果から、本モデルは血栓形成リスクを事前に予測できるため、血栓形成性が低い医療機器の設計を支援できると示唆された。