Математическая модель микроциркуляции для прогнозирования реперфузионного синдрома у пациентов с сахарным диабетом

Математическая модель микроциркуляции для прогнозирования реперфузионного синдрома у пациентов с сахарным диабетом

Автор: Шабрыкина Н.С., Лукин П.С.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (98) т.26, 2022 года.

Бесплатный доступ

Сахарный диабет - это группа хронических метаболических нарушений, характеризующихся повышенным уровнем сахара в крови. В связи с быстрым ростом числа пациентов с сахарным диабетом резко возрастает и частота осложнений. В настоящее время для оценки микроциркуляторной перфузии и выявления ранней дисфункции диабетической микроангиопатии применяются неинвазивные экспериментальные методы. Поскольку функция микроциркуляции предполагает несколько взаимосвязанных процессов, зависящих от большого количества параметров, схожие клинические проявления нарушения микроциркуляции могут быть вызваны различными изменениями, которые зачастую невозможно определить, используя только экспериментальные данные. Математическое моделирование является перспективным инструментом для преодоления вышеупомянутых проблем и улучшения экспериментальных методов. Данная работа посвящена разработке математической модели, позволяющей прогнозировать реперфузионный синдром у пациентов с сахарным диабетом. Модель микроциркуляции может позволить оценить другие параметры (гидравлическую проводимость капиллярной стенки и онкотическое давление) путем сравнения с измерениями скорости фильтрации с помощью капилляроскопии. Используя представленную математическую модель, можно предложить возможный способ объяснения того, почему реваскуляризация может вызвать обострение синдрома диабетической стопы.

Еще

Реперфузионный синдром, микроциркуляция, математическое моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282613

IDR: 146282613   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.4.07

Список литературы Математическая модель микроциркуляции для прогнозирования реперфузионного синдрома у пациентов с сахарным диабетом

  • Камалтдинов М.Р., Кучумов А.Г. Применение математической модели системного кровообращения для определения параметров кровотока после операции шунтирования у новорожденных // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 3. - С. 313-330.
  • Кучумов А.Г. Математическое моделирование накопления частиц на поверхности пластикового билиарного стента для прогнозирования его окклюзии // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. - 2020. - Т. 20, № 2. - С. 220-231.
  • Кучумов А.Г. Математическое моделирование перистальтического течения литогенной желчи через проток при рубцовом стенозе, рассматриваемый в виде трубки с сужающимися стенками конечной длины // Российский журнал биомеханики. - 2016. - Т. 20, № 2. -С. 96-115.
  • Кучумов А.Г., Гилёв В.Г., Попов В.А., Самарцев В.А., Гаврилов В.А. Экспериментальное исследование реологии патологической желчи // Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т. 15, № 3 (53). - С. 52-60.
  • Кучумов А.Г., Камалутдинов А.М., Лукин П.С. Математическое моделирование течения химуса в персонализированной модели толстого кишечника // Колопроктология. - 2019. - Т. 18, № S3 (69). -С. 100-101.
  • Кучумов А.Г., Няшин Ю.И., Самарцев В.А., Гаврилов В.А., Ивонина Е.В. Перистальтическое течение патологической желчи при рубцовом стенозе большого дуоденального сосочка // Российский журнал биомеханики. - 2014. - Т. 18, № 4. - С. 441-451.
  • Кучумов А.Г., Няшин Ю.И., Самарцев В.А., Гаврилов В.А., Менар М. Биомеханический подход к моделированию билиарной системы как шаг в направлении к построению виртуальной модели физиологии человека // Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т. 15, № 2. - С. 32-48.
  • Кучумов А.Г., Самарцев В.А., Няшин Ю.И., Породиков А.А. Применение методов вычислительной гидродинамики в решении актуальных задач хирургии // Современный мир, актуальные вопросы биоэтики, молекулярной и персонализированной медицины: материалы междунар. евро-азиатского конгресса по вопросам биоэтики, молекулярной и персонализированной медицины Biomed-inn2019 / под ред. И.П. Корюкиной, Ю.В. Каракуловой, В.Ю. Мишланова, Е.Г. Фурмана. - Пермь, 2019. - С. 9296.
  • Кучумов А.Г., Хайрулин А.Р., Биянов А.Н., Породиков А.А., Арутюнян В.Б., Синельников Ю.С. Оценка эффективности установки модифицированного шунта Блэлок - Тауссиг у детей с врожденным пороком сердца // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 1. - С. 76-96.
  • Abdissa D., Adugna T., Gerema U., Dereje D. Prevalence of diabetic foot ulcer and associated factors among adult diabetic patients on follow-up clinic at jimma medical center southwest ethiopia 2019: an institutional-based cross-sectional study // J. Diabetes Res. - 2020. - Vol. 2020. - Art. 4106383. DOI: 10.1155/2020/4106383.
  • Amin N., Doupis J. Diabetic foot disease: From the evaluation of the "foot at risk" to the novel diabetic ulcer treatment modalities // World J. Diabetes. - 2016. - Vol. 7. -P. 153-164. DOI: 10.4239/wjd.v7.i7.153.
  • Balasubramanian G.V., Chockalingam N., Naemi R. The role of cutaneous microcirculatory responses in tissue injury inflammation and repair at the foot in diabetes // Front. Bioeng. Biotechnol. - 2021. - Vol. 9. - Art. 732753.
  • Bernardino V., Rodrigues A., Llado A., Fernandes M., Panarra A. The impact of nailfold capillaroscopy in the approach of microcirculation. Vascular biology - selection of mechanisms and clinical applications [Электронный ресурс]. - URL: https://cdn.intechopen.com/pdfs /70549.pdf (дата обращения 01. 12.2022).
  • Blake T.R., Gross J.F. A mathematical model of fluid exchange from an array of capillaries // Microvasc. Res. -1980. - Vol. 19. - P. 80-98. DOI: 10.1016/0026-2862(80)90085-0.
  • Boulton A.J.M. The diabetic foot // Med. (United Kingdom). - 2015. - Vol. 43. - P. 33-37. DOI: 10.1016/j.mpmed.2014.10.006.
  • Carden D.L., Granger D.N. Pathophysiology of ischaemia-reperfusion injury // J. Pathol. - 2000. - Vol. 190. - P. 255266.
  • Cattaneo L., Zunino P. Computational models for fluid exchange between microcirculation and tissue interstitium // Networks Heterog. Media. - 2014. - Vol. 9. - P. 135-159. DOI: 10.3934/nhm.2014.9.135.
  • Causin P., Guidoboni G., Malgaroli F., Sacco R., Harris A. Blood flow mechanics and oxygen transport and delivery in the retinal microcirculation: multiscale mathematical modeling and numerical simulation // Biomech. Model. Mechanobiol. - 2016. - Vol. 15. - P. 525-542. DOI: 10.1007/s10237-015-0708-7.
  • Chiwanga F.S., Njelekela M.A. Diabetic foot: Prevalence knowledge and foot self-care practices among diabetic patients in Dar es Salaam Tanzania - a cross-sectional study // J. Foot Ankle Res. - 2015. - Vol. 8. - Art. 20. DOI: 10.1186/s13047-015-0080-y.
  • Cowled P., Fitridge R. Pathophysiology of reperfusion injury. Mechanisms of Vascular Disease. - Adelaide: University of Adelaide Press, 2020. - 18 p.
  • de Oliveira T.H.C., Marques P.E., Poosti F., Ruytinx P., Amaral F.A., Brandolini L., Allegretti M., Proost P., Teixeira M.M. Intravital microscopic evaluation of the effects of a CXCR2 antagonist in a model of liver ischemia reperfusion injury in mice // Front. Immunol. - 2018. - Vol. 8. - Art. 1917. DOI: 10.3389/fimmu.2017.01917.
  • DeFronzo R.A. Insulin resistance lipotoxicity type 2 diabetes and atherosclerosis: The missing links. The Claude Bernard Lecture 2009 // Diabetologia. - 2010. - Vol. 53. - P. 12701287.
  • den Uil C.A., Klijn E., Lagrand W.K., Brugts J.J., Ince C., Spronk P.E., Simoons M.L. The microcirculation in health and critical disease // Prog. Cardiovasc. Dis. - 2008. - Vol. 51. - P. 161-70.
  • Dilworth L., Facey A., Omoruyi F. Diabetes mellitus and its metabolic complications: The role of adipose tissues // Int. J. Mol. Sci. - 2021. - Vol. 22. - Art. 7644.
  • Dyachenko Timoshina P.A., Bashkatov A.N., Alexandrov D.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Laser speckle contrast imaging for monitoring of acute pancreatitis at ischemia-reperfusion injury of the pancreas in rats // J. Innov. Opt. Health Sci. - 2022. - Vol. 15. - Art. 2242002. DOI: 10.1142/S1793 545822420020.
  • Ebah L.M., Wiig H., Dawidowska I., O'Toole Ch., Summers A., Nikam M., Jayanti A., Coupes B., Brenchley P., Mitra S. Subcutaneous interstitial pressure and volume characteristics in renal impairment associated with edema // Kidney Int. -2013. - Vol. 84. - P. 980-988. DOI: 10.1038/ki.2013.208.
  • Facchini L., Bellin A., Toro E.F. A time-dependent multi-layered mathematical model of filtration and solute exchange the revised Starling principle and the Landis experiments // Veins Lymphat. - 2017. - Vol. 6. - P. 8-12. DOI: 10.4081/vl.2017.6849.
  • Farina A., Fasano A., Rosso F. Mathematical models for some aspects of blood microcirculation // Symmetry (Basel). - 2021. - Vol. 13. - Art. 1020. DOI: 10.3390/sym13061020.
  • Galicia-Garcia U., Benito-Vicente A., Jebari S., Larrea-Sebal A., Siddiqi H., Uribe K.B., Ostolaza H., Martín C. Pathophysiology of type 2 diabetes mellitus // Int. J. Mol. Sci. - 2020. - Vol. 21. - Art. 6275.
  • Groome L.J., Kinasewitz G.T. Spatial heterogeneity and microvascular fluid exchange: A simple macroscopic equation // Microvasc. Res. - 1987. - Vol. 33. - P. 155-166. DOI: 10.1016/0026-2862(87)90014-8.
  • Jeffcoate W.J., Harding K.G. Diabetic foot ulcers // Lancet. -2003. - Vol. 361. - P. 1545-1551. DOI: 10.1016/S0140-6736(03)13169-8.
  • Kahn S.E. The relative contributions of insulin resistance and beta-cell dysfunction to the pathophysiology of Type 2 diabetes // Diabetologia. - 2003. - Vol. 46. - P. 3-19.
  • Kamaltdinov M.R., Kuchumov A.G., Sadeghy K. Chyme flow numerical modelling in the colon in normal conditions and in disorders // Series on Biomechanics. - 2022. - Vol. 36(1). - P. 105-112.
  • Kosiborod M., Gomes M.B., Nicolucci A., Pocock S., Rathmann W., Shestakova M.V., Watada H., Shimomura I., Chen H., Cid-Ruzafa J. et al. Vascular complications in patients with type 2 diabetes: Prevalence and associated factors in 38 countries (the DISCOVER study program) // Cardiovsc. Diabetol. - 2018. - Vol. 17. - Art. 150. DOI: 10.1186/12933-018-0787-8.
  • Kuchumov A. Biomechanical modelling of bile flow in the biliary system // MATEC Web of Conferences. - 2018. - Vol. 13. - Art. 04004.
  • Kuchumov A. Patient-specific bile flow simulation to evaluate cholecystectomy outcome // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - Art. 012022.
  • Kuchumov A., Tuktamyshev V., Kamaltdinov M. Peristaltic flow of lithogenic bile in the Vateri's papilla as non-Newtonian fluid in the finite-length tube: analytical and numerical results for reflux study and optimization // Lekar a Technika. - 2017. - Vol. 47, no. 2. - P. 35-42.
  • Kuchumov A.G., Gilev V., Popov V., Samartsev V., Gavrilov V. Non-Newtonian flow of pathological bile in the biliary system: experimental investigation and CFD simulations // Korea-Australia Rheology Journal. - 2014. - Vol. 26. - P. 81-90.
  • Kuchumov A.G., Khairulin A., Shmurak M., Porodikov A., Merzlyakov A. The effects of the mechanical properties of vascular grafts and an anisotropic hyperelastic aortic model on local hemodynamics during modified Blalock-Taussig shunt operation, assessed using FSI simulation // Materials. -2022. - Vol. 15(8). - Art. 2719.
  • Kuchumov A.G., Khairulin A.R., Kamaltdinov M.R., Ivashova Y.A., Samartsev V.A., Taiar R. Patient-specific simulation of a gallbladder refilling based on mri and ultrasound in vivo measurements // AIP Conference Proceedings. 28th Russian Conference on Mathematical Modelling in Natural Sciences, RuMoNaS. - 2019. - Art. 060004.
  • Kuchumov A.G., Nyashin Y.I., Samartsev V.A. Modelling of peristaltic bile flow in the papilla ampoule with stone and in the papillary stenosis case: application to reflux investigation // IFMBE Proceedings 7th WACBE World Congress on Bioengineering. - 2015. - P. 158-161.
  • Kuchumov A.G., Nyashin Y.I., Samarcev V.A., Gavrilov V.A. Modelling of the pathological bile flow in the duct with a calculus // Acta of Bioengineering and Biomechanics. -2013. - Vol. 15, no. 4. - P. 9-17.
  • Kuchumov A.G., Selyaninov A. Application of computational fluid dynamics in biofluids simulation to solve actual surgery tasks // Advances in Intelligent Systems and Computing. -2020. - Vol. 1018. - P. 576-580.
  • Kuchumov A.G., Selyaninov A., Kamaltdinov M., Samartsev V. Numerical simulation of biliary stent clogging // Series on Biomechanics. - 2019. - Vol. 33, no. 1. - P. 3-15.
  • Kuchumov A.G., Vedeneev V., Samartsev V., Khairulin A., Ivanov O. Patient-specific fluid-structure interaction model of bile flow: comparison between 1-way and 2-way algorithms // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2021. - Vol. 24(15). - P. 16931717.
  • Langer S., Harris A.G., Biberthaler P., Von Dobschuetz E., Messmer K. Orthogonal polarization spectral imaging as a tool for the assessment of hepatic microcirculation // Transplantation. - 2001. - Vol. 71. - P. 1249-1256. DOI: 10.1097/00007890-200105150-00012.
  • Levick J.R., Michel C.C. Microvascular fluid exchange and the revised Starling principle // Cardiovasc. Res. - 2010. -Vol. 87. - P. 198-210.
  • Lin C., Liu J., Sun H. Risk factors for lower extremity amputation in patients with diabetic foot ulcers: A meta-analysis // PLoS One. - 2020. - Vol. 15. - P. 1-15. DOI: 10.1371/journal.pone.0239236.
  • Lu Y., Bernabeu M.O., Lammer J., Cai C.C., Jones M.L., Franco C.A., Aiello L.P., Sun J.K. Computational fluid dynamics assisted characterization of parafoveal hemodynamics in normal and diabetic eyes using adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy // Biomed. Opt. Express - 2016. - Vol. 7. - P. 4958-4973. DOI: 10.1364/boe.7.004958.
  • Lukin P., Kuchumov A.G., Zarivchatskiy M.F., Kravtsova T. Clinical classification of the diabetic foot syndrome adapted to icd-10 as a solution to the problem of diagnostics statistics and standardisation // Med. - 2021. - Vol. 57. - Art. 817. DOI: 10. 3390/medicina57080817.
  • Meex R.C.R., Blaak E.E., van Loon L.J.C. Lipotoxicity plays a key role in the development of both insulin resistance and muscle atrophy in patients with type 2 diabetes // Obes. Rev. - 2019. - Vol. 20. - P. 1205-1217.
  • Michel C.C., Woodcock T.E., Curry F.R.E. Understanding and extending the Starling principle // Acta Anaesthesiol. Scand. - 2020. - Vol. 64. - P. 1032-1037.
  • Mu W., Xuefang C., Liu Y., Qianzhou L., Gaolin L., Jigang Z., Xiaoyu L. Potential nexus of non-alcoholic fatty liver disease and type 2 diabetes mellitus: Insulin resistance between hepatic and peripheral tissues // Front. Pharmacol. -2019. - Vol. 9. - Art. 1566.
  • Norris J.M., Rich S.S. Genetics of glucose homeostasis: Implications for insulin resistance and metabolic syndrome // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. - 2012. - Vol. 32. - P. 2091-2096. DOI: 10.1161/ATVBAHA. 112.255463.
  • Pelland A., George R.B., Lehmann C., Coolen J. Sidestream dark field imaging of the microcirculation to assess preeclampsia microvascular dysfunction // J. Clin. Med. Res. - 2018. - Vol. 10. - P. 391-395. DOI: 10.14740/jocmr3368w.
  • Permyakova A.V., Porodikov A., Kuchumov A.G., Furman E.G., Sinelnkov Y.S. Discriminant analysis of main prognostic factors associated with hemody-namically significant pda: Apgar score, silverman-anderson score, and nt-pro-bnp level // Journal of Clinical Medicine. - 2021. -Vol. 10(16). - Art. 3729.
  • Possenti L., Casagrande G., Di Gregorio S., Zunino P., Costantino M.L. Numerical simulations of the microvascular fluid balance with a non-linear model of the lymphatic system // Microvasc. Res. - 2019. - Vol. 122. - P. 101-110. DOI: 10.1016/j.mvr.2018.11.003.
  • Saeedi P., Petersohn I., Salpea P., Malanda B., Karuranga S., Unwin N., Colagiuri S., Guariguata L., Motala A.A., Ogurtsova K. et al. Global and regional diabetes prevalence estimates for 2019 and projections for 2030 and 2045: Results from the International Diabetes Federation Diabetes Atlas 9th edition // Diabetes Res. Clin. Pract. - 2019. - Vol. 157. - Art. 107843. DOI: 10.1016/j.diabres.2019.107843.
  • Sivitz W.I. Lipotoxicity and glucotoxicity in type 2 diabetes // Postgrad. Med. - 2001. - Vol. 109. - P. 55-64. DOI: 10.3810/pgm.2001.04.908.
  • Speziale S., Tenti G., Sivaloganathan S. A poroelastic model of transcapillary flow in normal tissue // Microvasc. Res. -2008. - Vol. 75. - P. 285-295. DOI: 10.1016 /j.mvr.2007.07.001.
  • Starling E.H. On the Absorption of fluids from the connective tissue spaces // J. Physiol. - 1896. - Vol. 19. - P. 312-326. DOI: 10.1113/jphysiol.1896.sp000596.
  • Taghilou B., Pourjafar-Chelikdani M., Taghavi S.M., Kuchumov A., Sadeghy K. Numerical simulation of viscoelastic effects in peristaltic transport of drops // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. - 2022. - Vol. 306. -Art. 104826.
  • Tang Y., He Y. Numerical modeling of fluid and oxygen exchanges through microcirculation for the assessment of microcirculation alterations caused by type 2 diabetes // Microvasc. Res. - 2018. - Vol. 117. - P. 61-73. DOI: 10.1016/j.mvr.2018.01.006.
  • Volmer-Thole M., Lobmann R. Neuropathy and Diabetic Foot Syndrome // Int. J. Mol. Sci. - 2016. - Vol. 17. - Art. 917. DOI: 10.3390/ijms17060917.
  • Weledji E.P., Fokam P. Treatment of the diabetic foot - to amputate or not? // BMC Surg. - 2014. - Vol. 14. - P. 1-6. DOI: 10.1186/1471-2482-14-83.
  • Widgerow A.D. Ischemia-reperfusion injury: Influencing the microcirculatory and cellular environment // Ann. Plast. Surg. - 2014. - Vol. 72. - P. 253-260. DOI: 10.1097/SAP.0b013e31825c089c.
  • Woodcock T.E., Woodcock T.M. Revised Starling equation and the glycocalyx model of transvascular fluid exchange: An improved paradigm for prescribing intravenous fluid therapy // Br. J. Anaesth. - 2012. - Vol. 108. - P. 384-394.
  • Wu M.Y., Yiang G.T., Liao W.T., Tsai A.P.Y., Cheng Y.L., Cheng P.W., Li C.Y., Li C.J. Current mechanistic concepts in ischemia and reperfusion injury // Cell. Physiol. Biochem. -2018. - Vol. 46. - P. 1650-1667.
  • Zhang P., Lu J., Jing Y., Tang S., Zhu D., Bi Y. Global epidemiology of diabetic foot ulceration: a systematic review and meta-analysis // Ann. Med. - 2017. - Vol. 49. - P. 106116.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp