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血液凝固物理学的突破

心脏病发作和中风——人类死亡的主要原因——基本上是心脏和大脑的血栓。更好地了解凝血过程的工作原理以及如何根据医疗需要加速或减缓凝血,可以挽救生命。

乔治亚理工学院和埃默里大学在《生物材料》杂志上发表的一项新研究通过对血液凝固的一个仍然知之甚少的称为凝块收缩阶段的动力学进行建模,为血液凝固的力学和物理学提供了新的思路。

“血液凝固实际上是一种基于物理学的现象,必须发生以阻止受伤后的出血,”佐治亚州儿科系 W. Paul Bowers 研究主席和 Wallace H. Coulter 生物医学工程系的 Wilbur A. Lam 说科技和埃默里。“生物学是已知的。生物化学是已知的。但这最终如何转化为物理学是一个未开发的领域。”

林和他的研究同事认为,这是一个问题,因为血液凝固最终是关于“身体可以在这条受损血管上进行多好的密封以止血,或者当出现问题时,身体如何意外地形成凝块在我们的心脏血管中还是在我们的大脑中?”

血液凝固的工作原理

阻止出血的主力是血小板——血液中负责制作初始栓塞的 2 微米微小细胞。形成的凝块称为纤维蛋白,它充当血小板附着和拉动的胶水支架。当这些血小板与纤维蛋白支架相互作用时,会出现血凝块收缩。为了证明这种收缩,研究人员将一个 3 毫米的乐高人偶果冻模型嵌入了数百万个血小板和纤维蛋白,以重建血凝块的简化版本。

“我们不知道的是,'这是如何运作的?' “让所有这些细胞一起工作的时间是什么时候——它们都同时拉动吗?” 这些是我们共同努力回答的基本问题,”林说。

Lam 的实验室与乔治·W·伍德拉夫机械工程学院教授兼安德勒教员亚历山大·阿列克谢耶夫领导的佐治亚理工学院复杂流体建模和模拟小组合作,创建了一个收缩凝块的计算模型。该模型包含形成三维网络的纤维蛋白纤维和可以延伸丝状伪足的分布式血小板,或从细胞延伸出的触手状结构,因此它们可以附着在特定表面上,以拉动附近的纤维。

模型显示血小板显着减少凝块体积

当研究人员模拟一大群血小板同时被激活的凝块时,微小细胞只能到达附近的纤维蛋白,因为血小板可以延伸相当短的丝状伪足,不到 6 微米。“但在创伤中,一些血小板首先收缩。它们收缩凝块,因此其他血小板会在附近看到更多的纤维蛋白,这有效地增加了凝块力,”阿列克谢耶夫解释说。由于不同步的血小板活动,力增强可高达 70%,导致凝块体积减少 90%。

“模拟表明,当血小板彼此不完全同步时,血小板的工作效果最好,”Lam 说。“这些血小板实际上在不同的时间拉动,通过这样做,它们提高了(凝块的)效率。”

阿列克谢耶夫说,这种现象被团队称为异步机械放大,“当我们拥有与健康患者相对应的正确血小板浓度时”,这种现象最为明显。

研究可能会导致更好的方法来治疗凝血、出血问题

亚特兰大儿童保健中心 Aflac 癌症和血液疾病中心的儿科血液学家林说,这些发现可能为有凝血问题的人提供医疗选择。

“如果我们知道为什么会发生这种情况,那么我们就有了治疗凝血疾病的全新潜在途径,”他说,并强调当这个生物物理过程出错时会发生心脏病和中风。

林解释说,微调收缩过程以使其更快或更强大可以帮助因车祸而流血的患者,或者在心脏病发作的情况下,使凝血不那么强烈并减慢其速度。

“了解这种凝块收缩的物理原理可能会导致治疗出血问题和凝血问题的新方法。”

阿列克谢耶夫补充说,他们的研究还可能会产生新的生物材料,例如一种有助于增强凝血过程的新型创可贴。

第一作者和佐治亚理工学院博士。候选人 Yuyi Sun 指出模型的简单性以及模拟使团队能够了解血小板如何协同工作以收缩纤维蛋白凝块的事实,就像它们在体内一样。

“当我们开始包括异质激活时,它突然给了我们正确的体积收缩,”她说。“让血小板有一些时间延迟,这样人们就可以使用以前的方法作为一个更好的起点,这真的很不错。我认为我们的模型有可能被用来为设计新型活性生物和合成材料提供指导。”

孙同意她的研究同事的看法,这种现象可能会发生在自然界的其他方面。例如,多个异步执行器可以更有效地折叠大网,以提高包装效率,而无需结合额外的执行器。

“从理论上讲,这可能是一个工程原理,”林说。“为了让伤口收缩得更多,也许我们没有同时发生化学反应——也许我们在不同时间发生了不同的化学反应。当允许一半或全部血小板收缩时,你会获得更好的效率和收缩率一起做工作。”

在研究的基础上,Sun 希望更仔细地研究单个血小板力如何转换或传递为凝块力,以及从厚度和宽度的角度将图形的两侧保持在一起需要多少力。Sun 还打算在他们的模型中包括红细胞,因为它们占所有血液的 40%,并在定义血块大小方面发挥作用。

“如果你的红血细胞很容易被困在你的血块,那么你更可能有一个大的血块,从而导致血栓形成的问题,”她解释说。

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