المترجم : أبو طه/ عدنان أحمد الحاجي ..

لو فكرت في جسم الإنسان، فإن شبكات الأوعية الدموية الدقيقة المتكونة من أصغر الأوعية الدموية هي جزء مركزي من وظيفة الجسم. أنها تسهل تبادل المغذيات الأساسية والغازات بين مجرى الدم والأنسجة المحيطة، وكذلك تقوم بتنظيم تدفق الدم في كل عضو من أعضاء الجسم.
في حين أن سلوك خلايا الدم التي تتدفق داخل الأوعية الفريدة والمستقيمة هو مشكلة معروفة جيدًا، لا يُعرف الكثير عن الأحداث على المستوى الخليوي الفردي  المسببة لسلوك الدم في شبكات الأوعية الدموية الدقيقة.
لفهم هذا بشكل أفضل، نشر الباحثان بيتر بالوغ وبروسيجيت Prosenjit باغشي دراسة حديثة في مجلة بيوفيزيكال جورنال. يعمل باغشي في قسم الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة روتغرز، وبالوخ طالب دكتوراه.
بالنسبة إلى معرفة الباحثين، فإن عملهم هو أول عمل لمحاكاة ودراسة خلايا الدم الحمراء المتدفقة في شبكات الأوعية الدموية الدقيقة الواقعية من الناحية الفيزيولوجية، مستوعبين كلًّا من بنية الأوعية الدموية المعقدة للغاية وكذلك تشكل (تغيير الشكل) وديناميكيات الثلاثية الأبعاد لكل خلية دم حمراء.

قام كل من بالوغ وباغشي بتطوير واستخدام كود محاكاة حديث لدراسة سلوك خلايا الدم الحمراء أثناء جريانها وتشكلها (وتغيير شكلها)  deform  عبر شبكات الأوعية الدموية الدقيقة. يحاكي الكود التدفقات ثلاثية الأبعاد داخل الأشكال الهندسية المعقدة، ويمكنها نمذجة خلايا قابلة للتشكلdeformable، كخلايا الدم الحمراء، بالإضافة إلى جسيمات صلدة، كالصفائح الغير فعالة أو بعض جسيمات الدواء.
وقال باغشي: "إن أبحاثنا في شبكات الأوعية الدموية الدقيقة مهمة لأن هذه الأوعية توفر مقاومة قوية جدًّا لتدفق الدم". "كم من الطاقة يحتاجها القلب لضخ الدم، على سبيل المثال، تحددها هذه الأوعية الدموية. وبالإضافة إلى ذلك، هذا هو المكان الذي تتأصل فيه العديد من أمراض الدم. على سبيل المثال، بالنسبة لشخص مصاب بفقر الدم المنجلي، هذا هو المكان الذي تتعثر خلايا الدم الحمراء وتتسبب في ألم شديد ".
تتضمن إحدى النتائج التي توصل إليها البحث التفاعل بين خلايا الدم الحمراء والأوعية الدموية داخل المناطق التي تتشعب فيها الأوعية. ولاحظوا أنه مع تدفق خلايا الدم الحمراء من خلال هذه التشعبات الوعائية، فإنها تتكدس (تزدحم) لفترات وجيزة للغاية قبل الشروع في الجريان اتجاه مجرى الدم. هكذا سلوك يمكن أن يؤدي إلى زيادة المقاومة الوعائية في الأوعية المتأثرة، مؤقتًا، بعدة أضعاف.
كانت هناك محاولات عديدة لفهم تدفق الدم في شبكات الأوعية الدموية الدقيقة يعود تاريخها إلى القرن التاسع عشر والطبيب الفرنسي والفسيولوجي جان لوي ماري بويسيلي الذي أدى اهتمامه بالدورة الدموية إلى إجراء سلسلة من التجارب على تدفق السوائل. في أنابيب ضيقة. كما صاغ تعبيراً رياضياً لتدفق السوائل غير المضطرب في أنابيب دائرية.
لتحديث هذا البحث، استخدم بالوخ وباغشي حسوسبةً لتعزيز فهم تدفق الدم في هذه الشبكات. وكالعديد من المجموعات الأخرى، قاموا في الأصل بتصنيع الأوعية الدموية الشعيرية capillary على شكل أنابيب صغيرة ومستقيمة وتنبآبسلوكها. وقال باغشي "لكن لو نظرت إلى الأوعية الشبيهة بالشعيرة تحت المجهر، فهي ليست أنابيب مستقيمة... إنما متعرجة للغاية ومتشعبة باستمرار ومندمجة مع بعضها البعض". "لقد أدركنا أنه لا يوجد شخص آخر لديه أداة حوسبية للتنبؤ بتدفق خلايا الدم في هذه الشبكات الواقعية من الناحية الفيسلوجية."

"هذه هي أول دراسة للنظر في هندسة الشبكة المعقدة في ثلاثة أبعاد 3D ، وفي الوقت نفسه حل تفاصيل الخلية في ثلاثة أبعاد 3D" ، كما قال بالوخ. "أحد الأهداف الأساسية هو فهم  لما يحدث في هذه الأوعية  الصغيرة جدًّا في هذه الهندسة المعقدة بشكل أفضل. نأمل من خلال قدرتنا على نمذجة هذا المستوى التالي من التفاصيل يمكننا أن نضيف إلى فهمنا ما يحدث بالفعل على مستوى  هذه الأوعية الصغيرة جدًّا ".
من حيث أبحاث السرطان، قد يكون لهذا النموذج آثار هائلة. كما قال باجي "هذا الكود مجرد بداية لشيء كبير بالفعل."
في المجال الطبي اليوم، هناك أنظمة تصوير متطورة تصور الشبكة الشعيرية للأوعية الدموية، ولكن في بعض الأحيان يصعب على أنظمة التصوير هذه التنبؤ بتدفق الدم في كل وعاء دموي في وقت واحد. كما قال باغشي "الآن يمكننا التقاط تلك الصور ووضعها في نموذجنا الحاسوبي والتنبؤ حتى بحركة كل خلية دم في كل وعاء شعيري موجود في الصورة."
هذه فائدة كبيرة لأن الباحثين يستطيعون معرفة ما إذا كانت الأنسجة تتلقى كمية كافية من الأوكسجين أم لا. في أبحاث السرطان، عملية تولد الأوعية angiogenesis - وهي العملية الفسيولوجية التي تتكون من خلالها الأوعية الدموية الجديدة من الأوعية الموجودة مسبقًا - معتمدة على حصول الأنسجة على كمية كافية من الأوكسجين.

ويعمل الفريق أيضًا على نمذجة توصيل الأدوية المستهدفة، خاصةً للسرطان. في هذا النهج يتم استخدام الجسيمات النانوية لحمل الأدوية واستهداف الموقع المحدد للمرض. على سبيل المثال، إذا كان شخص ما مصابًا بالسرطان في الكبد أو البنكرياس، فعندئذٍ يتم استهداف تلك الأعضاء المحددة. يسمح توصيل الدواء المستهدف بزيادة جرعة الدواء حتى لا تتعرض الأعضاء الأخرى للتلف وتُقلل الآثار الجانبية.
وقال باغشي "إن حجم وشكل هذه الجسيمات النانوية يحددان كفاءة كيفية نقلها عبر الأوعية الدموية". "نعتقد أن بنية هذه الشبكات الشعيرية ستحدد مدى جودة نقل هذه الجسيمات إلى المكان المستهدف. البنية تختلف من عضو لآخر. الكودات المحوسبة التي طورناها تساعدنا على فهم كيف تؤثر بنية هذه الشبكات الشعبرية capillary على نقل هذه الجسيمات النانوية في أعضاء مختلفة ".
استخدم هذا البحث المحاكاة الحاسوبية للإجابة على أسئلة مثل: ما مدى دقة استطاعة الباحث التقاط تفاصيل كل خلية دموية في هندستها المعقدة؟ كيف يمكن تحقيق ذلك في ثلاثة أبعاد 3D؟ كيف تأخذ في الاعتبار العديد من التفاعلات بين هذه الخلايا الدموية والأوعية الدموية؟

"من أجل القيام بذلك، نحن بحاجة إلى موارد حوسبة كبيرة ،" يقول باغشي. "تعمل مجموعتي على  هذه المشكلة باستخدام موارد  XSEDE  ( اختصاراً  ل eXtreme Science and Engineering Discovery Environment)  في مركز الحوسبة المتقدم في تكساس. استخدمنا الكومبيوتر الفائق Stampede1 لتطوير تقنية المحاكاة، وسننتقل قريبًا إلى Stampede2 لأننا سنجري المزيد من عمليات المحاكاة. ونستخدم Ranch لتخزين بيانات المحاكاة التي جمعناها بحجم تيرا بايت ".
وفيما يتعلق بكيف يساعد هذا البحث المجتمع الطبي، قال باغشي: "استنادًا إلى صور الأوعية الدموية الشعيرية في ورم ما، يمكننا محاكاة ذلك في ثلاثة أبعاد والتنبؤ بتوزيع جريان الدم والجسيمات النانوية داخل الأوعية الدموية للورم، ربما، تحديد الحجم الأمثل والشكل وخصائص أخرى من الجسيمات النانوية وتوصيل الأدوية الأكثر فعالية "، يقول باغشي Bagchi. " هذا شيء سنبحثه في المستقبل."
المصدر:
https://www.tacc.utexas.edu/-/the-complex-journey-of-red-bloods-cells-through-microvascular-networks