КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-21-00221

НазваниеКомпьютерные модели для изучения биомеханических и механо-химических процессов в цельной крови при тромбозе микрососудов

Руководитель Беляев Алексей Вячеславович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-313 - Биомеханика

Ключевые слова компьютерное моделирование, гемодинамика, микротромбоз, тромбоциты, фактор Виллебранда, адгезия клеток, метод погруженных границ, метод решеточных уравнений Больцмана

Код ГРНТИ30.51.43

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Последствия тромбоза, такие как отрыв тромба или закупорка сосуда тромбом, являются главными причинами инфарктов и инсультов. Понимание принципов роста и причин устойчивости тромбоцитарных агрегатов к механическим и химическим (лекарственным) воздействиям позволит решить одну из важнейших проблем медицины — предотвращение тромбозов и тромбоэмболий, в том числе после хирургических операций и при воспалительных процессах. Один из предполагаемых механизмов инициации тромбообразования в микрососудах связан с механо-химическими свойствами белка плазмы крови - фактора Виллебранда. В результате конформационных переходов, вызванных гидродинамическими силами, этот белок приводит к агрегации тромбоцитов [Schneider et al.// PNAS 104: 7899-7903 (2007)]. В свою очередь, тромбоциты также могут активироваться по биомеханическому пути, связанному с их адгезией к фактору Виллебранда [Deng et al.// Nature Comm. 7:12863 (2016)]. Цель данного проекта состоит в выявлении роли биомеханической активации тромбоцитов при инициации тромбоза микрососудов при повреждениях стенки сосуда или воспалительных процессах. В задачи проекта входит создание трехмерной компьютерной модели роста микро тромба в потоке цельной крови с явным учетом динамики тромбоцитов, эритроцитов, фактора Виллебранда и механо-химических особенностей этой системы. В основе предлагаемого подхода лежит компьютерное моделирование с использованием многопроцессорной технологии MPI. Для решения поставленных задач будет использован специально разработанный научным пакет программ для многопроцессорных параллельных расчетов. В основе - комбинация метода решеточного уравнения Больцмана (Lattice Boltzmann, LB) для расчетов гидродинамических скоростей и метода погруженных границ (Immersed Boundary, IB) для описания динамики клеточных мембран. Ключевую трудность составляет многостадийность процесса роста тромба и связанная с этим необходимость учета кардинально различных пространственно-временных масштабов: от сотен нанометров (при рассмотрении динамики адгезионных рецепторов) до миллиметров (при рассмотрении кровотока на масштабе системы сосудов) и от микросекунд до десятков минут. Одним из аспектов являются механические взаимодействия клеток эритроцитов крови с растущим тромбом в условиях гидродинамического потока, а также учет неоднородности структуры тромба. Необходимым условием для решения поставленных в проекте задач является использование полноклеточных численных моделей, точно описывающих механику мембран эритроцитов, адгезии тромбоцитов и гидродинамические течения плазмы крови. В силу указанных причин, разрабатываемая нами компьютерная модель явно описывает механику клеточных мембран и адгезионных рецепторов во времени. Планируется проведение расчетов многомасштабной клеточной модели тромбоза на суперкомпьютере МГУ – «Ломоносов-2». Научная новизна предлагаемого подхода заключается в том, что в модели явно учитывается конформационная динамика белка фактора Виллебранда, который обеспечивает адгезионные взаимодействия между тромбоцитами на начальном этапе их агрегации. Длинные (до десятков микрон в длину) мультимерные молекулы этого чувствительными к скорости кровотока. При превышении пороговой скорости сдвига молекулы фактора фон Виллебранда разворачиваются, удлиняются и вызывают агрегацию тромбоцитов. Также новым подходом в области гемодинамики является применение иерархического принципа построения модели, при котором молекулярные процессы заменятся эффективными величинами (потенциалами) на масштабе клеток крови путем прямых ab initio молекулярно-динамических расчетов потенциалов средней силы для взаимодействующих белков, а также путем анализа конформационных изменений этих белков. Третьим аспектом научной новизны является применение точных биомеханических моделей клеток крови - эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов, - параметры которых подбираются из сравнения с экспериментальными данными. Актуальность проблемы. Понимание принципов инициации и роста тромбоцитарных агрегатов в микрососудах легких позволит решить одну из важнейших проблем медицины — предотвращение тромбозов и тромбоэмболий, позволит уточнить стратегии лечения заболеваний, связанных с тромбозом микрососудов, в том числе при воспалительных процессах (пневмония) и наследственных заболеваниях (болезнь Виллебранда, тромботическая тромбоцитопеническая пурпура).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---