Põlvestressi uuriti kudede ja rakkude tasemel

Põlvestressi uuriti kudede ja rakkude tasemel
Põlvestressi uuriti kudede ja rakkude tasemel
Anonim

Clevelandi kliiniku uurimisrühm töötab välja inimese põlveliigeste virtuaalseid mudeleid, et paremini mõista, kuidas kuded ja nende üksikud rakud reageerivad rasketele koormustele – virtuaalseid mudeleid, mida saab kunagi kasutada vananemisprotsessist või kurnatusest põhjustatud kahjumehhanismide mõistmiseks. haigused, nagu osteoartriit.

Ph.D. Ahmet Erdemiri juhitud meeskond kasutab Ohio superarvutikeskuse võimsaid arvutussüsteeme, et töötada välja inimkeha tipptasemel arvutuslikud kujutised, et mõista liikumismustreid ja koormusi. liigestel deformeeruvad ümbritsevad kuded ja rakud.Erdemir on arvutusliku biomodelleerimise tuuma (CoBi) direktor ja Lerneri uurimisinstituudi (LRI) biomeditsiinitehnika osakonna õppejõud Ohio osariigis Clevelandis.

"Vananemisprotsess ja kurnavad haigused mõjutavad paljusid inimkeha mehaanilise funktsiooni aspekte: alates sellest, kuidas me liigume, kuni selleni, kuidas meie lihased, liigesed, kuded ja rakud taluvad igapäevaste tegevuste ajal kehale avaldatavat koormust.,” selgitas Erdemir. "Arvutusmodelleerimise tehnikad pakuvad võimalust saada täiendavat teavet mehaanika kohta erinevates ruumilistes skaalades."

Paljudes makromastaabis uuringutes on uuritud, kuidas põlveliigese erinevad komponendid – kõhr, meniskid, sidemed ja luu – reageerivad raskusele ja muudele välistele koormustele. Erdemir ja kolleeg Scott C. Sibole soovisid aga paremini mõista, kuidas need suured mehaanilised jõud vastavad üksikute kõhrerakkude – ehk kondrotsüütide – deformatsioonile põlve sees.Varasemad kõhre mikroskaala uuringud ei ole tavaliselt põhinenud kehatasandi skaalade andmetel, eriti põlveliigese lihas-skeleti mehaanika andmetel.

Lisaks on arvutatud deformatsioonid tavaliselt olnud ühe raku kohta 100-kuupmikromeetrise simuleeritud koeploki keskel; Erdemir kasutas anatoomiliselt põhinevat esitust, mis arvutas deformatsioonid 11 raku jaoks, mis olid jaotatud samas mahus.

"Mõlema mikroskaala lähenemisviisi korral kogesid kõhrerakud võimendatud deformatsioone võrreldes makroskaala omadega, mida ennustati, simuleerides põlveliigese kudede kokkusurumist keha raskuse all," leidis Erdemir. "11-elemendilises korpuses esinesid kõik rakud vähem deformatsioone kui üksikelemendiga korpuses ja nende deformatsioon oli suurem kui teiste samas plokis asuvate rakkudega."

Erdemiri meetod osutus väga skaleeritavaks mikroskaala mudeli sõltumatuse tõttu, mis võimaldas kasutada hajutatud mälu arvutiarhitektuuri.Selle tulemusel suutis LRI uurimisinsener Sibole kasutada OSC IBM 1350 Glenn Clusteri arvutuslikku jõudu. Sel ajal andsid Glenn Clusteri 9500 sõlme 75 teraflopsi arvutusvõimsust, tehniliselt 75 triljonit arvutusi sekundis. Hiljuti eemaldati Glenn Cluster osaliselt, kui insenerid võtsid kasutusele keskuse võimsama HP-Intel Xeon Oakley klastri.

"Mõlemad OSC kaks viimast lipulaeva arvutisüsteemi olid spetsiaalselt loodud toetama biomeditsiinirakendusi, nagu need, mida kasutavad dr Erdemir ja hr Sibole," ütles OSC ajutine tegevdirektor Ashok Krishnamurthy. "Ohio erinevates tunnustatud meditsiinikeskustes töötavad teadlased viivad läbi üha suuremat arvu arvutuslikke uuringuid ja analüüse ning nüüd moodustavad nad märkimisväärse osa meie kasutajaskonnast."

Erdemiri ja Sibole artikkel "Kondrotsüütide deformatsioonid kui tibiofemoraalse liigese koormuse funktsioon, mida ennustab mitmeskaalaliste simulatsioonide üldistatud suure läbilaskevõimega torustik", avaldati hiljuti rahvusvahelises analoogilises ajakirjas PLoS ONE. retsenseeritud, avatud juurdepääsuga veebiajakiri.Uuringut toetas riikliku biomeditsiinilise pildistamise ja biotehnoloogia instituudi toetus, riiklik tervishoiuinstituut.

Populaarne teema