Computermodellen voor hersenletsel brengen hersenbloedvaten in kaart in de hoogste resolutie tot nu toe

Computermodellen voor hersenletsel brengen hersenbloedvaten in kaart in de hoogste resolutie tot nu toe

Imperial-onderzoekers hebben een computermodel voor traumatisch hersenletsel (TBI) gemaakt dat bloedvaten in een rattenbrein in de hoogste resolutie tot nu toe in kaart brengt.

Ze zeggen dat de modellen kunnen helpen ons begrip te verbeteren van hoe bloedvaten worden beïnvloed door TBI, evenals de effecten ervan op de beschermende laag die ze omhult, bekend als de bloed-hersenbarrière (BBB), die de hersenen beschermt tegen schadelijke circulerende moleculen en pathogenen .

Als de methoden goed vertalen naar de menselijke hersenen, kunnen ze ons helpen beter te begrijpen hoe TBI's zich ontwikkelen en hoe ze het beste kunnen worden behandeld en ertegen kunnen worden beschermd. De simulaties kunnen zelfs helpen om diermodellen van TBI te vervangen, waardoor het gebruik van dieren in hersenonderzoek mogelijk wordt verminderd.

TBI's zijn de meest voorkomende oorzaak van chronische invaliditeit bij jongeren onder de 40 jaar en zijn het gevolg van zware klappen of schokken op het hoofd, meestal tijdens verkeersongevallen, valpartijen en geweldplegingen. Symptomen kunnen zijn hoofdpijn, duizeligheid, vermoeidheid, prikkelbaarheid en geheugenverlies.

Beginnend op de plaats van impact, reizen mechanische krachten in golven door de hersenen, waarbij ze hersenstructuren draaien, uitrekken en afschuiven terwijl de verwonding zich in een waterval stort. Van deze krachten is bekend dat ze de bloedvaten beïnvloeden, maar de fijnere details van de relatie tussen mechanische krachten en vaatletsel moeten nog worden vastgesteld.

Nu hebben onderzoekers van het Imperial College London een computermodel van TBI gemaakt dat het netwerk van bloedvaten in de hersenen - de vasculatuur genoemd - in de hoogste resolutie tot nu toe in kaart brengt, met bloedvaten van rattenhersenen met een diameter van slechts 10 micron.

Met behulp van de modellen ontdekten ze dat aangrenzende bloedvaten sterk verschillende niveaus van stress verdragen, afhankelijk van hun uitlijning met aangrenzende bloedvaten. Bloedvaten in een hoek van 90 ° ten opzichte van anderen werden minder snel beschadigd en bloedvaten konden zonder letsel worden uitgerekt tot 14 procent van hun oorspronkelijke lengte, terwijl rekken met meer dan deze hoeveelheid tot letsel zou leiden.

Hoofdauteur Dr. Siamak Khosroshahi, die het werk uitvoerde tijdens de Dyson School of Design Engineering van Imperial, zei: “Onze unieke benadering verklaart de niet-herkende rol van de vasculaire anatomie en schuifspanningen in hoe grote krachten door de hersenen stromen. Dit nieuwe begrip zou kunnen bijdragen aan het verbeteren van TBI-diagnose en preventie.”

De mate waarin de BBB moleculen de hersenen binnenlaat, staat bekend als permeabiliteit. De barrière kan meer doorlaatbaar worden na een verwonding, waardoor de kans groter is dat pro-inflammatoire moleculen de hersenen bereiken en verder letsel veroorzaken.

Co-auteur Dr. Magdalena Sastre van de afdeling Hersenwetenschappen zei: "Het onderzoeken van vasculaire schade bij hoofdletsel is belangrijk omdat een beschadigde bloed-hersenbarrière schadelijke moleculen kan binnenlaten die de initiële verwonding verergeren."

Door rattenmodellen van TBI te gebruiken, toonden de auteurs aan dat een grotere BBB-permeabiliteit optreedt in TBI als gevolg van verstoring van de vasculatuur, en dat dit het duidelijkst is kort na verwonding.

Op basis van deze informatie creëerden ze digitaal hersenmodellen met een resolutie die hoog genoeg was om het vaatstelsel te markeren. Ze ontdekten dat ze met de computermodellen de verdeling van stress in de kleine bloedvaten van de rattenhersenen nauwkeurig konden voorspellen. De modellen stelden hen ook in staat de tijd te vertragen om de details van TBI nader te bekijken.

Computermodellen voor hersenletsel brengen hersenbloedvaten in kaart in de hoogste resolutie tot nu toe

Senior auteur Dr. Mazdak Ghajari, ook van Imperial's Dyson School of Design Engineering, zei: "Verwondingen gebeuren in een fractie van een seconde, waardoor het moeilijk is om precies te observeren wat er gebeurt. Door het proces te vertragen, kunnen we precies bepalen welke hersengebieden de meeste schade oplopen en kunnen we enigszins begrijpen waarom.”

Co-auteur professor David Sharp, ook van de afdeling Hersenwetenschappen, zei: "Dit opwindende nieuwe model biedt inzicht in de manier waarop hoofdletsel tot hersenbloeding leidt. Onze grote traumacentra zijn ingericht om bloedingen in de schedel snel onder controle te krijgen, aangezien dit levensbedreigend kan zijn. We begrijpen echter niet hoe hoofdletsel verschillende soorten bloedingen veroorzaakt, wat ons vermogen beperkt om te voorspellen welke soorten hoofdletsel waarschijnlijk tot bloedingen zullen leiden. De ontwikkeling van dit model is een belangrijke stap om dit belangrijke proces te begrijpen.”

De nieuwe computersimulaties met hoge resolutie kunnen een blauwdruk bieden voor het bestuderen van TBI's met meer computers en minder diermodellen, in overeenstemming met de principes van Vervanging, Vermindering en Verfijning (de 3V's) in dieronderzoek.

De onderzoekers zeggen dat hun modellen ook een objectievere manier kunnen bieden om beschermingssystemen zoals helmen te beoordelen. Toekomstige studies over mensen met gedetailleerde reconstructies van de biomechanica van TBI zijn ook nodig om de bevindingen te bevestigen voordat ze worden gebruikt om het letselrisico bij mensen te voorspellen.

Het verbeterde begrip van de BBB zou ook kunnen helpen bij verder onderzoek naar medicijnafgifte van hersenspecifieke medicijnen.

Deze studie werd gefinancierd door Wellcome Trust en het Royal British Legion Centre for Blast Injury Studies aan het Imperial College London.

"Multischaalmodellering van cerebrovasculair letsel onthult de rol van vasculaire anatomie en parenchymale schuifspanningen" door Siamak Farajzadeh Khosroshahi et al., gepubliceerd op 21 juni 2021 in Wetenschappelijke rapporten.