Počítačové modely poranění mozku mapují mozkové krevní cévy v dosud nejvyšším rozlišení

Počítačové modely poranění mozku mapují mozkové krevní cévy v dosud nejvyšším rozlišení

Císařští vědci vytvořili počítačový model traumatického poranění mozku (TBI), který mapuje krevní cévy v mozku krysy v dosud nejvyšším rozlišení.

Říká se, že modely by mohly pomoci zlepšit naše chápání toho, jak TBI ovlivňuje krevní cévy, a také její účinky na ochrannou vrstvu, která je obklopuje, známou jako hematoencefalická bariéra (BBB), která chrání mozek před škodlivými cirkulujícími molekulami a patogeny .

Pokud se metody dobře promítnou do lidských mozků, mohly by pomoci zlepšit naše chápání toho, jak se TBI vyvíjejí a jak proti nim nejlépe zacházet a chránit je. Simulace by mohly dokonce pomoci nahradit zvířecí modely TBI, což by potenciálně snížilo používání zvířat ve výzkumu mozku.

TBI jsou nejčastější příčinou chronického postižení u osob mladších 40 let a jsou výsledkem prudkých úderů nebo nárazů do hlavy - obvykle během dopravních nehod, pádů a útoků. Mezi příznaky patří bolesti hlavy, závratě, únava, podrážděnost a zhoršení paměti.

Počínaje místem nárazu se mechanické síly pohybují ve vlnách mozkem, krouží, protahují se a stříhají mozkové struktury, jak kaskáda zranění kaskáduje. O těchto silách je známo, že ovlivňují krevní cévy, ale podrobnější informace o vztahu mezi mechanickými silami a cévním poraněním je třeba ještě upřesnit.

Nyní vědci z Imperial College v Londýně vytvořili počítačový model TBI, který mapuje síť cév v mozku - zvanou vaskulaturu - v dosud nejvyšším rozlišení a zahrnuje mozkové cévy krys o průměru pouhých 10 mikronů.

Pomocí modelů zjistili, že sousední krevní cévy udržují hluboce odlišné úrovně stresu v závislosti na jejich vyrovnání se sousedními. Krevní cévy pod úhlem 90 ° k ostatním byly méně pravděpodobně poškozeny a cévy by mohly být nataženy až na 14 procent jejich původní délky bez poranění, zatímco natažení o více než toto množství by mělo za následek zranění.

Vedoucí autor Dr. Siamak Khosroshahi, který práci provedl na Imperial's Dyson School of Design Engineering, uvedl: „Náš jedinečný přístup vysvětluje nerozpoznanou roli vaskulární anatomie a smykové napětí v tom, jak velké síly kaskádují mozkem. Toto nové porozumění by mohlo přispět ke zlepšení diagnostiky a prevence TBI. “

Míra, do jaké BBB propouští molekuly do mozku, se nazývá permeabilita. Bariéra se po úrazu může stát propustnější, což zvyšuje pravděpodobnost, že se prozánětlivé molekuly dostanou do mozku a způsobí další zranění.

Spoluautorka Dr. Magdalena Sastre z Katedry věd o mozku uvedla: „Vyšetřování poškození cév u poranění hlavy je důležité, protože poškozená hematoencefalická bariéra může vést k poškození škodlivých molekul, které zhoršují počáteční poranění.“

Použitím krysích modelů TBI autoři prokázali, že u TBI dochází k větší permeabilitě BBB v důsledku narušení vaskulatury a že je to nejzřetelnější brzy po poranění.

Z těchto informací vytvořili modely mozku digitálně v dostatečně vysokém rozlišení, aby zvýraznili vaskulaturu. Zjistili, že počítačové modely jim umožňují přesně předpovědět rozložení stresu v malých krevních cévách mozků krys. Modely jim také umožnily zpomalit čas, aby se mohly podrobněji podívat na podrobnosti TBI.

Počítačové modely poranění mozku mapují mozkové krevní cévy v dosud nejvyšším rozlišení

Vedoucí autor Dr. Mazdak Ghajari, také z Imperial Dyson School of Design Engineering, řekl: „K úrazu dochází za zlomek sekundy, takže je těžké přesně sledovat, co se děje. Zpomalením procesu můžeme přesně určit, které oblasti mozku utrpí největší škody, a určitým způsobem pochopit proč. “

Spoluautor profesor David Sharp, také z katedry věd o mozku, uvedl: „Tento vzrušující nový model poskytuje pohled na způsob, jakým poranění hlavy vede ke krvácení do mozku. Naše hlavní traumatologická centra jsou vybavena pro rychlé zvládání krvácení do lebky, protože to může být životu nebezpečné. Nechápeme však, jak zranění hlavy způsobují různé typy krvácení, což omezuje naši schopnost předvídat, jaké druhy poranění hlavy pravděpodobně povedou ke krvácení. Vývoj tohoto modelu je důležitým krokem k pochopení tohoto důležitého procesu. “

Nové počítačové simulace s vysokým rozlišením by mohly poskytnout plán pro studium TBI pomocí více počítačů a méně zvířecích modelů v souladu s principy náhrady, redukce a zdokonalení (3R) ve výzkumu na zvířatech.

Vědci tvrdí, že jejich modely by také mohly poskytnout objektivnější způsob hodnocení ochranných systémů, jako jsou přilby. Budoucí studie na lidech, které zahrnují podrobné rekonstrukce biomechaniky TBI, jsou také potřebné k potvrzení nálezů před jejich použitím k předpovědi rizika poranění u lidí.

Lepší porozumění BBB by také mohlo pomoci dalšímu výzkumu v oblasti dodávek léků pro mozkové specifické léky.

Tato studie byla financována Wellcome Trust a Royal British Legion Center for Blast Injury Studies na Imperial College v Londýně.

„Víceúrovňové modelování cerebrovaskulárního poranění odhaluje roli vaskulární anatomie a střihových napětí parenchymu“, autor: Siamak Farajzadeh Khosroshahi et al., Publikováno 21. června 2021 v Vědecké zprávy.