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凝血物理学的突破

来源:中检健康 编辑:中检健康 时间:2021-06-08
心脏病和中风是人类死亡的主要原因,从根本上说,它们是心脏和大脑的血凝块。根据医疗需要,更好地理解血液凝固过程是如何工作的,以及如何加速或减缓凝固,可以挽救生命。

佐治亚理工学院和埃默里大学的新研究发表在杂志上生物材料通过对凝血过程中一个仍知之甚少的阶段——凝块收缩——的动力学建模,为凝血的力学和物理学提供了新的线索。

“凝血实际上是一种基于物理学的现象,受伤后必须发生才能阻止出血,”佐治亚理工学院和埃默里大学儿科部保罗·鲍尔斯研究主席威尔伯·拉姆和生物医学工程部华莱士·库尔特说。“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是一个尚未开发的领域。”

拉姆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“身体对受损血管止血的密封有多好,或者当这种情况出错时,身体如何意外地在我们的心脏血管或大脑中形成凝块?”

血液凝固是如何工作的

阻止出血的主要力量是血小板——血液中微小的2微米细胞,负责制造最初的栓塞。形成的凝块被称为纤维蛋白,它充当血小板附着和拉动的胶支架。当这些血小板与纤维蛋白支架相互作用时,就会出现血凝块收缩。为了证明这种收缩,研究人员嵌入了一个3毫米的乐高果冻模具,里面有数百万个血小板和纤维蛋白,以重建一个简化的血凝块。

“我们不知道的是,‘这是怎么回事?’它的时机是什么,所以所有这些细胞一起工作——它们都在同一时间拉吗?这些是我们共同努力回答的基本问题,”林说。

林的实验室与乔治·沃克·伍德拉夫机械工程学院教授兼安德勒研究员亚历山大·阿莱克谢耶夫领导的佐治亚理工学院复杂流体建模与模拟小组合作,创建了一个收缩凝块的计算模型。该模型结合了形成三维网络的纤维蛋白纤维和分布的血小板,血小板可以延伸到丝状体,或者从细胞延伸出来的触手状结构,以便它们可以附着到特定的表面,从而拉动附近的纤维。

模型显示血小板显著减少血块体积

当研究人员模拟一个凝块,其中一大群血小板同时被激活时,微小的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体,不到6微米。“但是在外伤中,一些血小板首先收缩。他们使凝块收缩,这样其他血小板就会在附近看到更多的纤维蛋白,这有效地增加了凝块的力量,”阿莱克谢耶夫解释说。由于不同步的血小板活性,力增强可高达70%,导致凝块体积减少90%。

“模拟显示,当血小板彼此不完全同步时,它们工作得最好,”林说。“这些血小板实际上是在不同的时间被拉动的,通过这样做,它们提高了(凝块的)效率。”

阿莱克谢耶夫说,这种被团队称为异步机械放大的现象“当我们有与健康患者相应的合适的血小板浓度时”最为明显。

研究可能导致治疗凝血、出血问题的更好方法

兰姆说,这些发现可能为有凝血问题的人提供医疗选择。他是亚特兰大儿童保健中心阿法拉克癌症和血液疾病中心的儿科血液学家,负责治疗年轻的血液疾病患者。

“如果我们知道为什么会发生这种情况,那么我们就有了一个全新的治疗凝血疾病的潜在途径,”他说,强调当这一生物物理过程出错时,就会发生心脏病和中风。

拉姆解释说,微调收缩过程以使其更快或更强,可以帮助因车祸出血的患者,或者在心脏病发作的情况下,使凝血不那么强烈并减慢速度。

“了解这种凝块收缩的物理机制可能会带来治疗出血和凝块问题的新方法。”

阿莱克谢耶夫补充说,他们的研究也可能导致新的生物材料,如一种新型创可贴,可以帮助增强凝血过程。

第一作者和佐治亚理工学院博士候选人孙跃义指出了模型的简单性,以及模拟使研究小组能够理解血小板如何像在体内一样共同作用来收缩纤维蛋白凝块的事实。

“当我们开始包含异质激活时,它突然给了我们正确的体积收缩,”她说。“让血小板有一段时间的延迟,这样人们就可以把之前的血小板作为一个更好的起点,这真的很好看。我认为我们的模型有可能为设计新型活性生物和合成材料提供指导。”

孙和她的同事们一致认为这种现象可能发生在自然界的其他方面。例如,多个异步致动器可以更有效地折叠大网,以提高包装效率,而不需要结合额外的致动器。

“理论上这可能是一个工程原理,”林说。“对于一个收缩更多的伤口,也许我们没有同时发生的化学反应——也许我们有不同的化学反应在不同的时间发生。当一个人让一半或全部血小板一起工作时,你会获得更好的效率和收缩。”

在这项研究的基础上,孙希望更仔细地研究单个血小板力是如何转换或传递到凝块力的,以及从厚度和宽度的角度来看,需要多大的力才能将图形的两边保持在一起。孙还打算将红细胞纳入他们的模型,因为它们占所有血液的40%,并在确定血块大小方面发挥作用。

“如果你的红细胞太容易被困在血块中,那么你更有可能有一个大的血块,这导致血栓形成的问题,”她解释说。

论文链接:Y. Sun, et.al., "Platelet heterogeneity enhances blood clot volumetric contraction: An example of asynchrono-mechanical amplification." (Biomaterials 274, 120828, 2021) https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120828
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