用晶格玻尔兹曼方法研究癌细胞在血管中的动力学行为

Cancer metastasis is a significant cause of death in cancer patients. Cancer metastasis can be roughly divided into several stages: release from the primary tumor, circulation in the blood, distributed around the body through the blood circulation or lymphatic system, extravade into the target organ. Each stage is quite complex. Different kinds of cancer cells will invade different specific organs. Involving multiple subjects, the mechanism of cancer metastasis is complicated. Benefiting of the mesoscopic and parallel properties of the Lattice Boltzmann method, the Lattice Boltzmann method has been widely used in the study of blood flow from the beginning to be proposed. Simulating the fluid by the lattice Boltzmann method, through discretizing the membrane of cancer cells into equal-length segments and triangles with close areas respectively for two dimensions and three-dimensions, meanwhile, hydrodynamic forces acting on the cell surface calculated by stress-integration proposed by us or of our recent established improved momentum-exchange method, adhesion and moment of cancer cells in a vessel will be investigate in this project by planting ligand clusters on the segment and triangle randomly according to the cancer cell ligand density and planting receptors on the inner wall of the vessel uniformly. Take the elasticity to the neighboring lines or triangles, curved elasticity and viscous forces into account, the deformable cancer cells moving and adhering in a vessel will also studied. At last, a hole will be opened to study the dynamic mechanism of deformable cancer cells adhesion, movement, and extravasation into the object organ.

癌症转移一直是导致癌症病人死亡的重要原因。癌症转移粗略可以分为从原发癌脱落，渗入血液循环，通过血液循环或者淋巴系统分发到全身，渗出到目标器官几个阶段。每一个阶段都相当复杂。不同种类的癌细胞会向不同的特定器官转移。癌症转移机理涉及多个学科。晶格玻尔兹曼方法是个介观模型而且完全并行，从开始提出以来就被广泛应用于血液流的研究。本项目将利用该方法的优点，流体用该方法计算，把二维和三维癌细胞的表面分别分解为等长的线段和面积接近的三角形。流体作用在细胞表面的作用力可以用压力张量积分法或我们最近建立的改进的动量交换法计算。在线段或三角形上按照癌细胞配体密度种上配体团族，在血管的内表面均匀分布受体，即可研究癌细胞在血管中的粘附和运动。在近邻线段或三角形上加上拉伸弹性力、弯弹性力以及粘性力即可研究可变形的癌细胞在血管中的粘附和运动。最后可以在血管上开洞研究变形的癌细胞在血管中的粘附、运动和渗出动力学机制。

根据国内外该方向的研究动态，按照项目计划书，课题组成员认真地开展了大量细致的研究工作，按计划完成了原定的研究内容。鉴于淋巴系统是癌症转移的主要通道，我们和哈佛大学医学院附属麻省总医院辐射学系癌症中心斯蒂尔实验室合作，开展淋巴管自主泵液的研究，建立了淋巴管自主泵液的晶格玻尔兹曼模型。通过钙刺激淋巴管平滑机产生收缩，同时在流体的驱动下左侧瓣膜关闭，右侧瓣膜开启，驱动流体从左向右流动从而提高流场的剪切率，淋巴管的内皮细胞和淋巴瓣膜内皮细胞在剪切率的作用下产生的NO抑制钙，使钙的浓度降低，淋巴管开始舒展，从而实现淋巴管的自主收缩，并首次从计算上发现在瓣膜周围产生的NO比其它地方产生的多得多，这是和实验结果是一致的。计算发现当淋巴管的出口压力过高时，淋巴管的自主收缩进入强收缩状态，这和临床医学观察炎症病人的淋巴收缩结果是一致的。我们的研究结果得到了合作方的高度肯定。研究栓塞,研究发现压积越大越容易发生栓塞,压差越大越不易发生栓塞。岔管的入口和分岔处最容易发生栓塞。经分岔管后,大管中的压积比小管的高。研究通栓,发现低频脉动流容易通栓，但是通栓需要的时间较长,高频脉动流则不容易通栓,通栓时间短。增加压差,能通栓的脉动流频率范围增加。通过增大压差和提高脉动流的振幅,降低畅通管子导通作用的影响。研究发现,低频通栓效果虽好; 高频,但是当频率高于一定值,则通栓效果不明显。改用三角波脉动流，通栓条件则相反，低频低压条件下三角波脉动流通栓效果不明显,而高频条件下通栓效果良好。增加压差,可以提高能通栓的三角波的频率。研究中医推拿，发现推拿有一个最佳频率，在该频率下，血液流量达到最大。另外我们也做了科教协同方面的工作，大学生自主创新，研制了一台智能电表申请并公开了一项专利。