Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Thrombozyten ihre Arbeit besser machen, wenn sie nicht vollständig synchron sind – ScienceDaily

Herzinfarkte und Schlaganfälle – die häufigsten Todesursachen beim Menschen – sind im Wesentlichen Blutgerinnsel des Herzens und des Gehirns. Ein besseres Verständnis, wie der Blutgerinnungsprozess funktioniert und wie die Blutgerinnung je nach medizinischem Bedarf beschleunigt oder verlangsamt wird, könnte Leben retten.

Neue Forschungsergebnisse des Georgia Institute of Technology und der Emory University in der Zeitschrift veröffentlicht Biomaterialien wirft ein neues Licht auf die Mechanik und Physik der Blutgerinnung durch die Modellierung der Dynamik während einer noch wenig verstandenen Phase der Blutgerinnung, die als Gerinnselkontraktion bezeichnet wird.

„Blutgerinnung ist eigentlich ein physikalisch bedingtes Phänomen, das auftreten muss, um eine Blutung nach einer Verletzung zu stoppen“, sagte Wilbur A. Lam, W. Paul Bowers Research Chair in der Abteilung für Pädiatrie und am Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering in Georgia Technik und Emory. “Die Biologie ist bekannt. Die Biochemie ist bekannt. Aber wie sich dies letztendlich in die Physik überträgt, ist ein unerschlossenes Gebiet.”

Und das ist ein Problem, argumentieren Lam und seine Forscherkollegen, da es bei der Blutgerinnung letztendlich darum geht, “wie gut kann der Körper dieses beschädigte Blutgefäß versiegeln, um die Blutung zu stoppen, oder wenn dies schief geht, wie bildet der Körper versehentlich Gerinnsel? in unseren Herzgefäßen oder in unserem Gehirn?”

So funktioniert die Blutgerinnung

Die Arbeitspferde, um Blutungen einzudämmen, sind Blutplättchen – winzige 2-Mikrometer-Zellen im Blut, die für die Herstellung des ersten Pfropfens verantwortlich sind. Das sich bildende Gerinnsel wird Fibrin genannt und fungiert als Leimgerüst, an dem die Blutplättchen haften und an dem sie ziehen. Die Kontraktion von Blutgerinnseln tritt auf, wenn diese Blutplättchen mit dem Fibringerüst interagieren. Um die Kontraktion zu demonstrieren, betteten die Forscher eine 3-Millimeter-Form mit Millionen von Blutplättchen und Fibrin ein, um eine vereinfachte Version eines Blutgerinnsels nachzubilden.

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“Was wir nicht wissen, ist: ‘Wie funktioniert das?’ “Wie ist das Timing, damit all diese Zellen zusammenarbeiten – ziehen sie alle gleichzeitig?” Das sind die grundlegenden Fragen, an deren Beantwortung wir gemeinsam gearbeitet haben“, sagte Lam.

Lams Labor arbeitete mit der Complex Fluids Modeling and Simulation Group von Georgia Tech unter der Leitung von Alexander Alexeev, Professor und Anderer Faculty Fellow an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, zusammen, um ein Rechenmodell eines sich zusammenziehenden Gerinnsels zu erstellen. Das Modell enthält Fibrinfasern, die ein dreidimensionales Netzwerk bilden, und verteilte Blutplättchen, die Filopodien erweitern können, oder die tentakelähnlichen Strukturen, die sich von Zellen erstrecken, damit sie sich an bestimmten Oberflächen anlagern können, um die nahegelegenen Fasern zu ziehen.

Modell zeigt Thrombozyten, die das Gerinnselvolumen drastisch reduzieren

Als die Forscher ein Gerinnsel simulierten, bei dem eine große Gruppe von Blutplättchen gleichzeitig aktiviert wurde, konnten die winzigen Zellen nur nahegelegene Fibrine erreichen, da die Blutplättchen relativ kurze Filopodien von weniger als 6 Mikrometern ausdehnen können. „Aber bei einem Trauma ziehen sich einige Blutplättchen zuerst zusammen. Sie schrumpfen das Gerinnsel, sodass die anderen Blutplättchen mehr Fibrine in der Nähe sehen, und dies erhöht effektiv die Gerinnungskraft“, erklärte Alexeev. Aufgrund der asynchronen Thrombozytenaktivität kann die Kraftverstärkung bis zu 70% betragen, was zu einer 90%igen Abnahme des Gerinnselvolumens führt.

“Die Simulationen haben gezeigt, dass die Blutplättchen am besten funktionieren, wenn sie nicht vollständig synchron sind”, sagte Lam. “Diese Blutplättchen ziehen tatsächlich zu unterschiedlichen Zeiten und erhöhen dadurch die Effizienz (des Gerinnsels).”

Dieses Phänomen, das vom Team als asynchrone mechanische Verstärkung bezeichnet wird, ist am ausgeprägtesten, “wenn wir die richtige Konzentration der Blutplättchen haben, die der von gesunden Patienten entspricht”, sagte Alexeev.

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Forschung könnte zu besseren Möglichkeiten zur Behandlung von Gerinnungs- und Blutungsproblemen führen

Die Ergebnisse könnten medizinische Optionen für Menschen mit Gerinnungsproblemen eröffnen, sagte Lam, der als pädiatrische Hämatologe im Aflac Cancer and Blood Disorders Center am Children’s Healthcare of Atlanta junge Patienten mit Bluterkrankungen behandelt.

“Wenn wir wissen, warum dies geschieht, haben wir einen ganz neuen potenziellen Behandlungsweg für Erkrankungen der Blutgerinnung”, sagte er und betonte, dass Herzinfarkte und Schlaganfälle auftreten, wenn dieser biophysikalische Prozess fehlschlägt.

Lam erklärte, dass eine Feinabstimmung des Kontraktionsprozesses, um ihn schneller oder robuster zu machen, Patienten helfen könnte, die bei einem Autounfall bluten oder im Falle eines Herzinfarkts die Gerinnung weniger intensiv machen und verlangsamen könnten.

“Das Verständnis der Physik dieser Gerinnselkontraktion könnte möglicherweise zu neuen Wegen zur Behandlung von Blutungsproblemen und Gerinnungsproblemen führen.”

Alexeev fügte hinzu, dass ihre Forschung auch zu neuen Biomaterialien führen könnte, die den Gerinnungsprozess verbessern könnten.

Erstautor und Georgia Tech Ph.D. Kandidat Yueyi Sun bemerkte die Einfachheit des Modells und die Tatsache, dass die Simulationen es dem Team ermöglichten zu verstehen, wie die Blutplättchen zusammenarbeiten, um das Fibringerinnsel wie im Körper zusammenzuziehen.

„Als wir anfingen, die heterogene Aktivierung einzubeziehen, gab sie uns plötzlich die richtige Volumenkontraktion“, sagte sie. “Es war wirklich schön zu sehen, dass die Blutplättchen eine gewisse Zeitverzögerung haben, damit man das, was die vorherigen taten, als einen besseren Ausgangspunkt verwenden können. Ich denke, unser Modell kann möglicherweise verwendet werden, um Richtlinien für die Entwicklung neuartiger aktiver biologischer und synthetischer Materialien bereitzustellen.”

Sun stimmte mit ihren Forschungskollegen darin überein, dass dieses Phänomen auch in anderen Aspekten der Natur auftreten könnte. Beispielsweise können mehrere asynchrone Aktuatoren ein großes Netz effektiver falten, um die Verpackungseffizienz zu verbessern, ohne dass zusätzliche Aktuatoren eingebaut werden müssen.

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“Es könnte theoretisch ein konstruiertes Prinzip sein”, sagte Lam. „Damit eine Wunde stärker schrumpft, laufen die chemischen Reaktionen vielleicht nicht gleichzeitig ab – vielleicht laufen unterschiedliche chemische Reaktionen zu unterschiedlichen Zeiten ab. Sie erzielen eine bessere Effizienz und Kontraktion, wenn man die Hälfte oder alle Blutplättchen zulässt.“ um die Arbeit gemeinsam zu erledigen.”

Aufbauend auf der Forschung hofft Sun, genauer untersuchen zu können, wie eine einzelne Thrombozytenkraft in die Gerinnselkraft umgewandelt oder übertragen wird und wie viel Kraft erforderlich ist, um zwei Seiten eines Diagramms aus Sicht der Dicke und Breite zusammenzuhalten. Sun beabsichtigt auch, rote Blutkörperchen in ihr Modell aufzunehmen, da sie 40% des gesamten Blutes ausmachen und eine Rolle bei der Bestimmung der Gerinnselgröße spielen.

“Wenn Ihre roten Blutkörperchen zu leicht in Ihrem Gerinnsel eingeschlossen werden, haben Sie eher ein großes Gerinnsel, das ein Thromboseproblem verursacht”, erklärte sie.

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