Modele komputerowe uszkodzeń mózgu mapują naczynia krwionośne mózgu w najwyższej jak dotąd rozdzielczości

Modele komputerowe uszkodzeń mózgu mapują naczynia krwionośne mózgu w najwyższej jak dotąd rozdzielczości

Naukowcy z Imperial stworzyli komputerowy model urazowego uszkodzenia mózgu (TBI), który mapuje naczynia krwionośne w mózgu szczura w najwyższej rozdzielczości.

Twierdzą, że modele mogą pomóc w lepszym zrozumieniu wpływu TBI na naczynia krwionośne, a także jego wpływu na otaczającą je warstwę ochronną, znaną jako bariera krew-mózg (BBB), która chroni mózg przed szkodliwymi krążącymi cząsteczkami i patogenami .

Jeśli metody te dobrze przełożą się na ludzkie mózgi, mogą pomóc w lepszym zrozumieniu tego, jak rozwijają się TBI oraz jak najlepiej je leczyć i chronić. Symulacje mogą nawet pomóc w zastąpieniu zwierzęcych modeli TBI, potencjalnie zmniejszając wykorzystanie zwierząt w badaniach mózgu.

TBI są najczęstszą przyczyną przewlekłej niepełnosprawności u osób poniżej 40 roku życia i wynikają z silnych uderzeń lub wstrząsów w głowę – często podczas wypadków drogowych, upadków i napadów. Objawy mogą obejmować bóle i zawroty głowy, zmęczenie, drażliwość i zaburzenia pamięci.

Poczynając od miejsca uderzenia, siły mechaniczne przemieszczają się falami przez mózg, skręcając, rozciągając i ścinając struktury mózgu podczas kaskady obrażeń. Wiadomo, że siły te wpływają na naczynia krwionośne, ale drobniejsze szczegóły związku między siłami mechanicznymi a uszkodzeniem naczyń nie zostały jeszcze ustalone.

Teraz naukowcy z Imperial College London stworzyli komputerowy model TBI, który odwzorowuje sieć naczyń w mózgu – zwaną unaczynieniem – w najwyższej jak dotąd rozdzielczości, obejmując naczynia mózgu szczura o średnicy zaledwie 10 mikronów.

Korzystając z modeli, odkryli, że sąsiednie naczynia krwionośne wytrzymują bardzo różne poziomy stresu w zależności od ich wyrównania z sąsiednimi. Naczynia krwionośne pod kątem 90 ° w stosunku do innych były mniej podatne na uszkodzenia, a naczynia można było rozciągnąć do 14 procent ich pierwotnej długości bez obrażeń, podczas gdy rozciąganie o więcej niż ta wartość powodowałoby obrażenia.

Główny autor, dr Siamak Khosroshahi, który prowadził prace w Imperial Dyson School of Design Engineering, powiedział: „Nasze unikalne podejście wyjaśnia nierozpoznaną rolę anatomii naczyń i naprężeń ścinających w kaskadowaniu dużych sił przez mózg. To nowe zrozumienie może przyczynić się do poprawy diagnostyki i profilaktyki TBI”.

Stopień, w jakim BBB wpuszcza cząsteczki do mózgu, jest znany jako przepuszczalność. Bariera może stać się bardziej przepuszczalna po urazie, co zwiększa prawdopodobieństwo, że cząsteczki prozapalne dotrą do mózgu i zapoczątkują dalsze obrażenia.

Współautorka, dr Magdalena Sastre z Department of Brain Sciences, powiedziała: „Badanie uszkodzenia naczyń w urazie głowy jest ważne, ponieważ uszkodzona bariera krew-mózg może wpuścić szkodliwe cząsteczki, które pogorszą początkowy uraz”.

Używając szczurzych modeli TBI, autorzy wykazali, że większa przepuszczalność BBB występuje w TBI w wyniku zakłócenia układu naczyniowego, i że jest to najbardziej widoczne wkrótce po urazie.

Na podstawie tych informacji stworzyli cyfrowo modele mózgu w wystarczająco wysokiej rozdzielczości, aby uwydatnić układ naczyniowy. Odkryli, że modele komputerowe pozwoliły im dokładnie przewidzieć rozkład stresu w małych naczyniach krwionośnych mózgu szczurów. Modele pozwoliły im również spowolnić czas, aby dokładniej przyjrzeć się szczegółom TBI.

Modele komputerowe uszkodzeń mózgu mapują naczynia krwionośne mózgu w najwyższej jak dotąd rozdzielczości

Starszy autor, dr Mazdak Ghajari, również z Dyson School of Design Engineering w Imperial, powiedział: „Obrażenia zdarzają się w ułamku sekundy, przez co trudno jest dokładnie zaobserwować, co się dzieje. Spowalniając ten proces, możemy dokładnie określić, które obszary mózgu są najbardziej uszkadzane i w jakiś sposób zrozumieć, dlaczego”.

Współautor, profesor David Sharp, również z Wydziału Nauk o Mózgu, powiedział: „Ten ekscytujący nowy model zapewnia wgląd w sposób, w jaki urazy głowy prowadzą do krwotoku mózgowego. Nasze główne centra urazowe są przygotowane do szybkiego zarządzania krwawieniem w obrębie czaszki, ponieważ może to zagrażać życiu. Jednak nie rozumiemy, w jaki sposób urazy głowy powodują różne rodzaje krwawień, co ogranicza naszą zdolność przewidywania, jakie rodzaje urazów głowy mogą prowadzić do krwotoku. Opracowanie tego modelu jest ważnym krokiem w zrozumieniu tego ważnego procesu”.

Nowe symulacje komputerowe o wysokiej rozdzielczości mogą stanowić plan badania TBI przy użyciu większej liczby komputerów i mniejszej liczby modeli zwierzęcych, zgodnie z zasadami zastępowania, ograniczania i udoskonalania (3R) w badaniach na zwierzętach.

Naukowcy twierdzą, że ich modele mogą również zapewnić bardziej obiektywny sposób oceny systemów ochronnych, takich jak kaski. Potrzebne są również przyszłe badania na ludziach, które obejmują szczegółowe rekonstrukcje biomechaniki TBI, aby potwierdzić odkrycia przed zastosowaniem ich do przewidywania ryzyka obrażeń u ludzi.

Lepsze zrozumienie BBB może również pomóc w dalszych badaniach nad dostarczaniem leków przez leki specyficzne dla mózgu.

Badanie to zostało sfinansowane przez Wellcome Trust i Royal British Legion Centre for Blast Injury Studies w Imperial College London.

„Wieloskalowe modelowanie uszkodzenia naczyń mózgowych ujawnia rolę anatomii naczyń i parenchymalnych naprężeń ścinających” autorstwa Siamaka Farajzadeh Khosroshahi i wsp., opublikowanej 21 czerwca 2021 r. w Doniesienia naukowe.