Измерение и моделирование кровотока при малярии

При малярии в организм человека попадают паразиты Plasmodium, которые инфицируют клетки печени, а затем распространяются на эритроциты. Внутри кровяных клеток паразиты размножаются и начинают экспонировать адгезивные белки на поверхности клетки, что меняет её физические свойства в кровотоке.

Эксперименты показывают, что инфицированные эритроциты становятся жёстче и липче здоровых — на поздних стадиях болезни до 10 раз жёстче. Они также склонны прилипать к эндотелиальным клеткам, выстилающим сосуды, что нарушает нормальный кровоток. Это объясняет некоторые распространённые симптомы малярии, такие как анемия и боль в суставах.

Прилипание к стенкам сосудов — механизм выживания для паразита. Для полного развития ему требуется несколько дней внутри эритроцита. Хотя заражённые клетки почти невидимы для иммунной системы, они могут быть уничтожены в селезёнке при свободной циркуляции в кровотоке.

Аспирант Дмитрий Федосов и профессор Университета Брауна Джордж Карниадакис изучают, как инфекция малярии влияет на физические свойства эритроцитов и изменяет нормальную циркуляцию крови. В частности, они исследуют увеличение сопротивления кровотоку и динамику инфицированных клеток в кровотоке.

Исследователи представили эти результаты на 62-й Ежегодной встрече Отдела гидродинамики Американского физического общества (APS).

Они также отслеживают механические свойства инфицированных эритроцитов, измеряя флуктуации температуры мембраны и через реакцию «микробусинки», прикреплённой к клетке и скручиваемой. Измеренные свойства затем используются для моделирования потока эритроцитов у больных малярией. Они сотрудничают с группой профессора Субры Суреша в MIT, которая получает экспериментальные измерения свойств и потока здоровых и инфицированных клеток.

«Наша модель предсказывает динамику заражённых малярией эритроцитов в кровотоке, что позволяет прогнозировать возможное течение болезни», — говорит Федосов.

Недавно они обнаружили, что температурные флуктуации мембран инфицированных эритроцитов, измеренные в экспериментах, не коррелируют напрямую с известными свойствами клеток, что указывает на значительное влияние метаболических процессов. Они измерили увеличение сопротивления кровотоку в капиллярах и мелких артериолах в ходе малярии и обнаружили, что заражённые эритроциты демонстрируют «переворачивающее» движение у стенки сосуда, которое, по-видимому, обусловлено их жёсткостью. Разработанные модели помогут делать реалистичные прогнозы возможного течения болезни и улучшить современные методы лечения малярии.