Анализ быстропротекающих биологических процессов с помощью физических методов является одной из задач современной биофизики. К числу таких процессов относится смена агрегатного состояния крови. Механизмы, отвечающие за смену агрегатного состояния крови, лежат в основе целого ряда серьезных патологий, таких как инсульт, инфаркт, тромбоэмболия легочной артерии.

Оценка потенциальной тромбогенности конкретного участка сосуда остается актуальной проблемой. В настоящее время существуют математические подходы, позволяющие изучать особенности течения крови в сосудах различной геометрии: в стенозированных сосудах, аневризмах, артериовенозных фистулах для гемодиализа [Carroll et al. 2020, Vassilevsky et al. 2020]. Такого рода подходы используются при анализе свертывания крови у «нормального» человека. Однако, полученные с их помощью результаты не учитывают персонализированных черт анатомии и физиологии пациентов. Благодаря развитию современных физических методов медицинской визуализации (МРТ, КТ, доплерография и ангиография) удается получать детальную информацию о геометрическом строении участков сосудистого русла и характере кровотока в них. Вопрос в том, в какой мере указанные персонализированные данные могут быть использованы для оценок внутрисосудистых тромботических рисков, обусловленных потерей устойчивости жидкого состояния крови [Erdemir et al. 2020].

Одна из перспективных методик оценки рисков активации тромбообразования в интенсивных потоках крови опубликована в работе [Pushin et al. 2021]. Целью настоящей работы была разработка экспериментальной in vitro методики валидации результатов численного моделирования активации тромбоцитов в персонализированных сосудистых конфигурациях.

В рамках исследования была разработана методика, позволяющая создавать силиконовые 3D-отливки, с высокой точностью воспроизводящие геометрические особенности сосудов пациентов. Для этого использовались данные УЗИ и МРТ-диагностики. Разработанная методика была применена для исследования активации тромбоцитов в артериовенозных фистулах для гемодиализа. Для данного типа сосудистых конфигураций характерны интенсивные потоки крови и высокая степень тромбогенной опасности.

В рамках разработанного подхода посредством 3D-печати создавались мастер-модели, воспроизводящие геометрию реальных сосудов. Затем на базе мастер-моделей из биологически нейтрального силикона изготавливались герметичные отливки. Они включались в экспериментальный контур [Ivlev et al. 2019], через который осуществлялось прокачивание крови в представляющем интерес диапазоне скоростей. Процессы смены агрегатного состояния крови детектировались оптически, посредством цифровой видеосъемки, а также акустически, с помощью ультразвуковых допплеровских методов. Кроме того, состояние системы свертывания крови в ряде случаев анализировалось с помощью стандартных методов агрегометрии и тромбоэластографии.

Проведенные испытания показали, что изготовленные герметичные силиконовые отливки воспроизводят геометрию сосудов пациентов с точностью до микрометров. Сам по себе материал отливки не вызывал контактную активацию свертывания крови. При этом агрегометрия и тромбоэластография показали, что степень общей тромбогенности отливки существенно зависит от характера течения в ней. При перфузии отливки плазмой крови (или цельной кровью) в ряде режимов удалось зафиксировать появление в потоке фибриновых и тромбоцитарных микросгустков. Натурные эксперименты показали, что основные положения, заложенные в математические модели для оценки тромбогенности сосудистых участков, находят свое подтверждение.

Авторы считают, что разработанная экспериментальная методика может быть использована для валидации математических моделей, применяемых для оценки степени тромбогенности сосудистых конфигураций (стенты, фистулы и т. д.).



Литература

Carroll, J. E., Colley, E. S., Thomas, S. D., Varcoe, R. L., Simmons, A., & Barber, T. J. (2020). Tracking geometric and hemodynamic alterations of an arteriovenous fistula through patient-specific modelling. Computer methods and programs in biomedicine, 186, 105203.

Vassilevsky, Y., Olshanskii, M., Simakov, S., Kolobov, A., & Danilov, A. (2020). Personalized Computational Hemodynamics: Models, Methods, and Applications for Vascular Surgery and Antitumor Therapy. Academic Press.

Erdemir, A., et al. (2020). Credible practice of modeling and simulation in healthcare: ten rules from a multidisciplinary perspective. Journal of translational medicine, 18(1), 1-18.

Pushin, D. M., Salikhova, T. Y., Biryukova, L. S., & Guria, G. T. (2021). Loss of Stability of the Blood Liquid State and Assessment of Shear-Induced Thrombosis Risk. Radiophysics and Quantum Electronics, 63(9), 804-825.

Ivlev, D. A., Shirinli, S. N., Guria, K. G., Uzlova, S. G., & Guria, G. T. (2019). Control of fibrinolytic drug injection via real-time ultrasonic monitoring of blood coagulation. PLoS ONE, 14(2), e0211646.

The analysis of rapidly developing biological processes with the help of physical methods is the task of modern biophysics. Blood aggregate state transition is a prominent example. The mechanisms responsible for the change in blood aggregate state underlie a number of serious pathologies, such as stroke, heart attack, pulmonary embolism.

Evaluation of the potential thrombogenicity of a certain vessel remains an urgent problem. To date, several mathematical approaches have been developed for investigation of blood flow features in vessels of various geometries: stenotic vessels, aneurysms, arteriovenous fistulae for haemodialysis [Carroll et al. 2020, Vassilevsky et al. 2020]. These approaches are used for the analysis of blood coagulation in the so-called "normal" person. However, the results obtained with described approaches do not take into account the personalized features of the anatomy and physiology of patients. Due to the development of modern physical methods of medical imaging (MRI, CT, dopplerography and angiography), it becomes possible to obtain detailed information about the geometric structure of any vasculature elements and the properties of blood flow. The question is to what extent these personalized data can be used for the assessment of intravascular thrombotic risks triggered by the stability loss of blood liquid state [Erdemir et al. 2020].

One of the methods for assessing the risks of thrombus formation in intense blood flow was published in the recent paper [Pushin et al. 2021]. The aim of the present work is to develop an experimental in vitro method for validating the results of numerical modeling of platelet activation in personalized vascular configurations.

The technique that allows creating 3D silicone castings accurately reproducing geometric features of patients' vessels was developed. For this purpose, ultrasound and MRI diagnostics data were used. The developed technique was applied for the investigation of platelet activation in arteriovenous fistulas for hemodialysis. The latter type of vascular configuration is characterized by intensive blood flow and a high degree of thrombogenic danger.

As part of the developed approach, 3D printing was used to create master models that reproduce the geometry of real vessels. Then, on the basis of master models, hermetic castings were made from biologically neutral silicone. The castings were included in the experimental circuit [Ivlev et al. 2019], through which blood was pumped. The processes of blood clotting were detected optically, by means of digital video filming, and also acoustically, using ultrasonic Doppler methods. In addition, the state of the blood coagulation system in some cases was analyzed using standard methods of aggregometry and thromboelastography.

Conducted experiments showed that the manufactured hermetic silicone castings reproduce the geometry of the patient's vessels with an accuracy of micrometers. The casting material itself did not cause contact activation of blood coagulation. At the same time, aggregometry and thromboelastography showed that the degree of general thrombogenicity of the casting significantly depends on the intensity of intrinsic blood flow. When the casting was perfused with blood plasma (or whole blood), it was possible to detect the appearance of fibrin and platelet microclots in the flow. The experiments have shown that the main assumptions of derived mathematical models could be controlled.

The authors believe that the developed experimental technique allows validating mathematical models for the assessment of vascular configurations thrombogenicity degree (stents, fistulas, etc.).



Literature

Carroll, J. E., Colley, E. S., Thomas, S. D., Varcoe, R. L., Simmons, A., et al. (2020). Tracking geometric and hemodynamic alterations of an arteriovenous fistula through patient-specific modelling. Computer methods and programs in biomedicine, 186, 105203.

Vassilevsky, Y., Olshanskii, M., Simakov, S., Kolobov, A., & Danilov, A. (2020). Personalized Computational Hemodynamics: Models, Methods, and Applications for Vascular Surgery and Antitumor Therapy. Academic Press.

Erdemir, A., et al. (2020). Credible practice of modeling and simulation in healthcare: ten rules from a multidisciplinary perspective. Journal of translational medicine, 18(1), 1-18.

Pushin, D. M., Salikhova, T. Y., Biryukova, L. S., & Guria, G. Th. (2021). Loss of Stability of the Blood Liquid State and Assessment of Shear-Induced Thrombosis Risk. Radiophysics and Quantum Electronics, 63(9), 804-825.

Ivlev, D. A., Shirinli, S. N., Guria, K. G., Uzlova, S. G., & Guria, G. T. (2019). Control of fibrinolytic drug injection via real-time ultrasonic monitoring of blood coagulation. PLoS ONE, 14(2), e0211646.