肺毛細血管における好中球の流動特性


白血球の一種である好中球は,肺の微小循環において,健常時でも大血 管と比較して非常に高い濃度で存在していることが知られている.この 好中球は,赤血球よりも変形能が低く,肺の毛細血管の平均内径は好中 球の直径よりも小さいため,好中球が毛細血管に詰まり,通過に時間が かかることが原因であると考えられている.本研究では,肺の毛細血管 における好中球の通過特性を数値的・実験的に求め,肺の毛細血管網に おける好中球の流動シミュレーションモデル構築を目指す.



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軸対称円弧状狭窄に模擬した単一毛細血管を通過する好中球の 数値解析結果である.好中球は,薄い等方性弾性膜に包まれた Maxwell液滴とし,血管両端に一定圧力差を与えた場合の血球の 変形・流動を解析した.これを基に,好中球の毛細血管通過時 間を見積もる数学モデルを構築した.
数値解析には有限要素ソルバADINAを用いた.

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毛細血管の断面形状は完全な円形ではないため,血管断面形状 が血球の通過特性に与える影響を調べるため,流路を矩形とし て解析を行い,血管を軸対称形状とした場合の結果と比較した.
数値解析には有限要素ソルバADINAを用いた.

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数学モデルの妥当性を検証するための,PDMSで作成した微小流 路における好中球の流動実験の様子である.上の数値シミュレ ーションと同様に,好中球が狭窄部において変形に時間がかか ることがわかる.

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単一血管における好中球の流動解析より得られた数学モデルを 用いた,格子状の毛細血管ネットワークにおける好中球の流動 シミュレーション結果である.左図中の●が各好中球を表す. ネットワークの入口およ(左下)と出口(右上)の間に一定の圧力 差を与えた結果,好中球が血管を閉塞することにより血漿の流 動パターンが変化し,他の好中球の流動が影響を受けることが わかる.
シミュレーションにはMATLABを用いた.

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毛細血管を通過する際,好中球は血管壁と接触するため,血球 と血管壁との摩擦が血球の毛細血管通過特性に大きな影響を与 えると考えられる,また,好中球は,赤血球と異なり,血管壁 等に付着しやすいという性質がある.そこで, 傾斜遠心顕微鏡を用いて,各種基盤への血球の付着力等の 計測を行った.

謝辞

本研究を遂行するにあたり,Roger D. Kamm教授 (MIT),Mark Bathe博士 (Ludwig-Maximilians-Universitaet Munchen) および卒業生の藤田亮氏,増田直氏,朝比奈翔氏,大学院生の海本隆志氏の協力を得た.