CompMechLab-переводы. Применение CFD-технологий позволяет по-новому взглянуть на проблему рака

Ученые государственного университета штата Пенсильвания сосредоточили свои усилия на изучении процесса внедрения раковой клетки в здоровые органы, и возможности влияния медицины на данный процесс. Для проведения исследований они используют передовые CFD-технологии (программные системы численного моделирования гидрогазодинамических процессов) - программу AcuSolve наряду с сеточным генератором Harpoon 3D и программой визуализации EnSight.

Шестнадцать миллисекунд – одна пятая от времени моргания глаза – мгновение, которое возможно станет решающим для миллионов людей в вопросе: жизнь или смерть. Как же такой вроде бы незначительный промежуток времени способен все изменить? Всё дело в том, что за этот промежуток  времени одна раковая клетка может внедриться в ткань организма, и меньше чем через день образовавшаяся опухоль превращается в злокачественную.

Американское общество по решению проблем рака прогнозирует, что только в 2008 году будет выявлено примерно 1,5 миллиона новых случаев заболеваний раком. Всего лишь одна клетка, размером в четверть диаметра человеческого волоса  способна спровоцировать рост новой опухоли. Часто зловредные клетки дрейфуют по лимфатической системе, вблизи основной опухоли, там они могут внедриться в лимфатические узлы. В других случаях перемещаясь по кровеносной системе, эти клетки способны поразить практически любой орган.

Вопрос, что же именно способствует отделению  и перемещению злокачественной клетки, остается  проблемным для исследователей. Но ученые государственного университета штата Пенсильвания сосредоточили свои усилия на изучении процесса внедрения раковой клетки и возможности влияния на данный процесс. Для проведения исследований, они используют передовые CFD-технологии (программные системы численного моделирования гидрогазодинамических процессов) наряду с  сеточным генератором Harpoon 3D и программой визуализации EnSight, разработанной компанией CEI из Северной Каролины.

Д-р Меган Хоскинс, участник Биоинженерного проекта государственного университета штата Пенсильвания, под руководством д-ра Роберта Кунца и д-ра Ченга Донга, проводит исследование процесса присоединения раковых клеток к лейкоцитам, защитникам кровеносной системы, и воздействия потока крови на этот процесс.  В основе этих исследований лежит предположение о том, что раковые клетки перемещаясь по кровеносной системе, притягиваются к участкам, в которых лейкоциты борются с воспалительными процессами. "Скорее всего именно наличие воспаления притягивает раковые клетки", говорит д-р Хоскинс, отмечая, что пациент может совершенно не знать о воспалительном процессе. "Кроме того, даже в отсутствие какого-либо воспаления, раковые клетки, благодаря их способности генерировать определенные белки, могут повысить активность лейкоцитов, провоцируя  воспаление".

Эта страшная мысль, что раковые клетки имеют возможность использовать нашу собственную иммунную систему против нас, и является основополагающей в исследованиях д-ра Хоскинса. Для подтверждения своей идеи, она задалась целью точно смоделировать условия этого явления, так чтобы данную модель можно было использовать в дальнейшем изучении явлений появления метастаз. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать предположение, что скорость сдвига – изменение скорости потока в капиллярах, влияет на прилипание раковых клеток. Используя вычислительную гидрогазодинамическую (CFD) модель камеры, д-р Хоскинс вычисляет распределение скоростей во всей испытательной камере, и пытается охарактеризовать динамические силы и биохимические процессы во время прилипания клетки.

Для создания модели, д-р Хоскинс использует программное обеспечение Harpoon с полностью автоматическим генератором сетки, позволяющим сгенерировать полномасштабную 3D модель для расчета потока в испытательной камере. На каждом временном шаге, который варьируется от 1 до 8 мкс, строится новая сетка, и выполняется квазистатический гидрогазодинамический расчет для определения значения силы, действующей на клетку в потоке крови.

"Программное обеспечение Harpoon оказалось очень важным элементом в моей работе. Мне необходимо проводить расчеты с очень маленьким шагом по времени, при этом на каждом шаге одновременно должно производиться много вычислений", говорит д-р Хоскинс. "Мне нужен был инструмент, который работает быстро, и Harpoon подошел по этим показателям. Меньше 30 секунд уходит на создание новой сетки. Если бы не эта программа, мне бы пришлось создавать на каждом шаге модель вручную, и в зависимости от сложности модели, это могло бы занять часы".

Созданные модели экспортируются в программу AcuSolve, которая позволяет решать гидрогазодинамические задачи. Затем, с помощью специально написанной подпрограммы на языке Python, находится решение для системы уравнений, описывающих динамическое поведение клетки как твердого тела. Это позволяет точно определить положение и скорость движения клеток в пространстве в каждый момент времени. Решение, полученное на каждом временном шаге передается в EnSight и затем создается визуализация всего процесса, позволяющая увидеть, что же происходит с клетками за период в 100 мс.

Задача д-ра Хоскинс состоит в том, чтобы понять, почему и как динамические характеристики жидкости влияют на миграцию раковых клеток. Эти знания смогут помочь сформулировать цели дальнейших исследований. Например, если она сможет определить, какой именно белок, производимый раковой клеткой, способен активизировать лейкоциты, возможно, что медицинские научные сотрудники смогут найти средство для блокировки активности этого белка.

Сейчас, несмотря на то, что д-р Хоскинс заложила хороший фундамент для дальнейших исследований в области присоединения раковых клеток, она все же продолжает пытаться улучшить математическую и вычислительную модель, для более точного моделирования процесса образования метастаз. ”В предыдущей модели, для простоты клетки моделируются как твердые тела. Но в действительности и раковые клетки, и лейкоциты обладают упругими свойствами. Я работаю над новой моделью, в которой будет реализована возможность деформации клеток. И поток, и столкновения изменяют форму клетки. Все это может изменить процесс проникновения. Если клетка может деформироваться, значит поверхность соприкосновения при слиянии будет больше”.

Источник: www.hpcwire.com

CompMechLab-перевод: www.FEA.ru