[論文レビュー] Multiscale Network Model for Fibrin Fibers and Fibrin Clot with Protofibril Binding Mechanics

Sumith Yesudasan, Rodney D. Averett|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Blood properties and coagulation参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、原子論的シミュレーションと実験データを統合したマルチスケールネットワークモデルを提案し、フィブリン線維および血栓の非線形力学的挙動をシミュレートする。プロトフィブリンを結合力を持つ非線形スプリングネットワークとしてモデル化することで、単一線維および連続体スケールの血栓の力-伸び曲線を正確に予測し、ワーム・リケ・チェーンの挙動とは逸脱することを説明するとともに、微小から大規模なひずみ、破壊に近い状態まで予測力の高さを検証する。

ABSTRACT

The multiscale behavior of the individual fibrin fibers and fibrin clots is modeled by coupling atomistic simulation data and microscopic experimental data. We propose a protofibril element made up of nonlinear spring network, constructed based on the molecular simulation and atomic force microscopy results to simulate the force extension behavior of fibrin fibers. This new network model also accounts for the complex interaction of protofibrils with each other, effect of presence of solvent, Coulombic attraction and other binding forces. The network model is applied to simulate the force extension behavior of single fibrin fiber from atomic force microscopy experiments and shows good agreement. Thus validated fibrin fiber network model is then combined with a modified version of Arruda-Boyce eight chain model to estimate the force extension behavior of continuum level fibrin clot, which shows very good correlation. The results show that this network model is able to predict the behavior of fibrin fibers as well as fibrin clot at small strains, large strains and even closer to the break strain. We use the network model to explain why the fibrin clots and fibers doesn't behave like a worm like chain, instead behaves like a nonlinear spring.

研究の動機と目的

• 複数の長さスケールおよび時間スケールにわたるフィブリン線維および血栓の力学的挙動を捉える予測可能なマルチスケールモデルを開発すること。
• フィブリン線維および血栓がワーム・リケ・チェーンの挙動に従わない理由を説明すること。
• 原子論的シミュレーションデータと原子間力顕微鏡（AFM）実験を統合した一貫性のある機械的ネットワークモデルに統合すること。
• プロトフィブリン結合、溶媒効果、クーロン力などの複雑な相互作用を機械的応答に組み込むこと。
• 実験的AFMデータとの比較を通じてモデルの妥当性を検証し、修正されたアリューダ・ボイス八鎖モデルを用いて連続体スケールの血栓力学への応用を拡張すること。

提案手法

• 分子動力学シミュレーションデータとAFM測定値に基づいて、プロトフィブリン要素を非線形スプリングネットワークとして構築する。
• クーロン引力と溶媒効果を含む結合力をプロトフィブリンネットワークモデルに組み込む。
• 妥当性が確認されたプロトフィブリンネットワークを用いて、単一フィブリン線維の力-伸び挙動をシミュレートし、AFM実験と比較する。
• プロトフィブリンネットワークモデルと修正されたアリューダ・ボイス八鎖モデルを組み合わせ、連続体スケールのフィブリン血栓力学をシミュレートする。
• 実験データを用いてモデルパラメータをキャリブレーションし、微小ひずみ、大ひずみ、破壊に近いひずみ領域でも一致を確保する。
• シミュレートされた力-伸び曲線と実験的観察を比較することで、モデルの予測能力を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトフィブリン相互作用および結合力学は、フィブリン線維の非線形弾性にどのように寄与するか？
• RQ2 機械的負荷下でフィブリン線維の挙動がなぜワーム・リケ・チェーンモデルに従わないのか？
• RQ3 マルチスケールネットワークモデルは、生理的ひずみ範囲にわたる単一フィブリン線維の力-伸び応答を正確に予測できるか？
• RQ4 個々のフィブリン線維の機械的性質をどのようにスケールアップして、連続体スケールでのフィブリン血栓挙動を予測できるか？
• RQ5 溶媒効果および静電的力は、フィブリンネットワークの機械的応答にどのような役割を果たすか？

主な発見

• プロトフィブリンネットワークモデルは、原子間力顕微鏡で測定された単一フィブリン線維の力-伸び挙動を正確に再現した。
• モデルは、プロトフィブリン間の結合と構造的再編成により、フィブリン線維がワーム・リケ・チェーン挙動ではなく非線形スプリング的力学を示すことを示した。
• クーロン引力と溶媒効果を組み込むことで、モデルの機械的応答の捉え込み精度が顕著に向上した。
• プロトフィブリンネットワークと修正されたアリューダ・ボイス八鎖モデルを組み合わせたハイブリッドモデルは、連続体スケールのフィブリン血栓に対して実験データと強い相関を示した。
• モデルは微小ひずみ、大ひずみ、破壊に近いひずみ領域においても機械的挙動を正確に予測でき、広い変形範囲にわたる頑健性を示した。
• 妥当性が確認されたモデルは、プロトフィブリンネットワークの再編成と結合力によって、フィブリン血栓の機械的耐性が実現されることをメカニズム的に説明した。