分叉微血管内红细胞悬浮液中肿瘤细胞迁移过程的多尺度力学数值研究

In vivo experiments demonstrated that bifurcations in microvasculature serve the major sites of tumor cell adhesion, which is a critical step in tumor hematogenous metastasis. In blood microcirculation, the hemodynamic shear stress plays a key role in the tumor cell metastasis. In the microscale flow, the blood behaves in a non-Newtonian manner, which is caused by the RBC deformability. The RBC’s tendency to flow toward the vessel center promotes the tumor cell margination in the microvessel. To explain the mechanical mechanism of tumor cell adhesion at the bifurcations, numerical simulation method combined with acoustophoretic technology, will be employed. In the macroscale aspect, this project will focus on the effects of the geometrical characteristic of the bifurcation as well as the mechanical properties of the cell on the RBC distribution and rheology of the blood flow. In the cellular scale aspect, the flow behavior of RBCs and tumor cell will be investigated, including the tumor cell attachment to the vessel wall, intercellular interaction between RBCs and tumor cell, the migration and deformation of adherent tumor cell moving at the microvessel bifurcation. This project will aims at exploring the effects of the rheology of blood flowing in the bifurcated microvessel on the migration of tumor cell. The results will elucidate the mechanism of tumor cell metastasis occurring at the microvessel bifurcations and help to provide theoretical guidance for the diagnosis of cancer stage and clinical treatment on metastasis prevention.

活体实验中发现循环肿瘤细胞易在微血管分叉处发生黏附，这是循环肿瘤细胞发生血行转移过程中非常关键的一步。在血液微循环中，血液流动剪切应力对于循环肿瘤细胞的迁移过程起到至关重要的作用。血液在微尺度流动下呈现非牛顿特性，这主要是由于红细胞的变形特性引起的。红细胞向血管中心迁移的特性会促进肿瘤细胞的附壁效应。针对循环肿瘤细胞在微血管分叉处发生黏附这一现象，采用数值模拟方法，从宏观尺度研究微血管分叉处的几何结构及细胞的力学特性对于红细胞分布规律以及细胞的悬浮液的流变特性的影响；从微观尺度研究红细胞和肿瘤细胞在分叉微血管内的运动现象，包括肿瘤细胞在血管壁面的黏附、细胞间的相互作用，肿瘤细胞在微血管分叉处的迁移和变形。本研究旨在探索分叉微血管内红细胞的悬浮液的流变特性对于肿瘤细胞迁移影响的机理，阐明肿瘤细胞易在微血管分叉处发生转移的机制，为癌症的诊断和临床治疗提供理论指导。

活体实验中发现肿瘤细胞易在微血管的分叉及弯曲处发生粘附，这一现象背后的确切力学机理还不是很清楚。在微血管中血液的非牛顿特性以及粒子特性比较显著，对肿瘤细胞的运动轨迹起主导作用。肿瘤细胞在复杂微血管内的黏附运动过程是一个涉及多尺度的力学过程。本研究引入基于弹簧网络结构的细胞膜模型表征可变形的红细胞，并采用耗散粒子动力学方法研究微血管内细胞的的运动过程，粘附动力学模型表征细胞的粘附行为。研究结果表明在低雷诺数情况下，粘性力起主导作用，管道弯曲处正曲率管段部分会促使在血管壁面滚动粘附的肿瘤细胞表面更多的配体-受体化学键的形成，当血浆中加入红细胞，肿瘤细胞与红细胞之间的碰撞增加了肿瘤细胞在流动方向的推动力，使得粘附的肿瘤细胞很快脱离血管壁面。接着模拟了细胞在带有方腔的微通道内的运动过程，研究结果表明相对于方腔开口尺寸较小的细胞在低流速下会被捕获。最后研究了肿瘤细胞在具有对称结构的分叉微血管内的运动过程。当肿瘤细胞在血管分叉处上游的主干管中心释放时，细胞进入分叉区域时运动速度降低，停留时间较长，当主流速度较低时，肿瘤细胞会发生稳定粘附。红细胞与肿瘤细胞的碰撞提供更大的朝向壁面的作用力，使得在分叉处的肿瘤细胞接触血管壁的时间延长，利于形成稳定黏附。研究结果阐明肿瘤细胞易在血管弯曲以及分叉处发生粘附的机理，并为癌症的诊断以及临床治疗提供一定的理论指导。