ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΓΛΥΜΦΑΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΕΜΦΑΣΗ ΣΤΟΥΣ ΝΕΥΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥΣ ΑΠΟΒΟΛΗΣ ΤΟΞΙΝΩΝ ΑΠΟ ΤΟΝ ΕΓΚΕΦΑΛΟ

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στο γλυμφατικό σύστημα, ένα πρόσφατα ανακαλυφθέντα βιολογικό μηχανισμό του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος (ΚΝΣ). Το σύστημα αυτό βρίσκεται στον χώρο του εγκεφάλου και αποτελείται από διάφορα επιμέρους τμήματα, μερικά από τα οποία είναι : τα αστροκύτταρα, τα αγγεία, η Ακουαπαρίνη 4 (AQP4), το εγκεφαλονωτιαιο υγρό (ΕΝΥ). Η συμβολή του γλυμφατικού συστήματος στον ανθρώπινο οργανισμό είναι κρίσιμη, αφού είναι υπεύθυνο και την απομάκρυνση των μεταβολικών αποβλήτων από τις κοιλίες του εγκεφάλου και την διατήρηση της ομοιόστασης αυτού. Η διαδικασία αυτή επιτελείτε καθημερινά, με συχνότητα περίπου 6 ωρών και έναν μηχανισμό που αποτελείται από ένα υγρό, το οποίο ρέει στις κοιλίες του εγκεφάλου και κατά το πέρασμα του παρασέρνει τυχόν μεταβολικά απόβλητα, που βρίσκονται συσσωρευμένα στις περιοχές αυτές. Σύμφωνα με έρευνες που έχουν διεξαχθεί τα τελευταία χρόνια, η αδυναμία απομάκρυνσης των μεταβολικών αποβλήτων από τα διάφορα μέρη του εγκεφάλου, προκαλεί την εμφάνιση παθολογικών ασθενειών, μη αναστρέψιμες για την ανθρώπινη υγεία. Οι ασθένειες αυτές κατατάσσονται σε παθολογικές καταστάσεις του ΚΝΣ και μερικές από αυτές είναι η νόσος Parkison και η νόσος Alzheimer. Από την άλλη πλευρά η συσσώρευση του υγρού (ΕΝΥ), στις κοιλίες του εγκεφάλου, προκαλεί αύξηση της ενδοκρατικής πίεσης και την δημιουργία μίας νέας παθολογικής κατάστασης, η οποία ονομάζεται υδροκέφαλος. Η διάγνωση των παραπάνω παθήσεων πραγματοποιείται έπειτα από μία σειρά εξετάσεων, εκ των οποίων οι περισσότερες είναι επεμβατικές και ψυχοφθόρες για τους ασθενείς. Παράλληλα μέχρι πρότινος, δεν ήταν εφικτό να προβλέψουμε ή να προλάβουμε την εμφάνιση τους. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία ενός υπολογιστικού μοντέλου, το οποίο θα είναι ικανό να προβλέπει πιθανές εκδηλώσεις παθολογικών καταστάσεων και που θα είναι ικανό να προσαρμόζεται στα χαρακτηριστικά του εκάστοτε ασθενούς. Επομένως, δημιουργήσαμε ένα μοντέλο που παρουσιάζει εξατομίκευση και που είναι ικανό να αναγνωρίζει μοτίβα, γρήγορα και οικονομικά. Το μοντέλο αυτό δημιουργήθηκε με την βοήθεια του Comsol Multiphysics, ένα λογισμικό που χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, άξιο για την παρούσα μελέτη και ανάλυση που χρειαζόμαστε. Η διαδικασία υλοποιήθηκε σε σταθερή στον χρόνο κατάσταση αλλά και σε χρονικά εξαρτώμενο επίπεδο, τονίζοντας τις διαφορές σε δύο μοντέλα. Το πρώτο μοντέλο παρουσίαζε χαρακτηριστικά στοιχεία ενός υγιούς ασθενούς, ενώ το δεύτερο συντάχθηκε με στοιχεία ασθενή που έχει υποστεί κάποια παθολογική κατάσταση. Το θέμα αναπτύσσεται σε 6 κεφάλαια, όπου στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία αναφορά στις παθολογικές ασθένειες, στον τρόπο εμφάνισής τους καθώς επίσης και στις μεθόδους διάγνωσης τους από την ιατρική κοινότητα. Παράλληλα τονίζονται οι μέθοδοι όπως ο ύπνος, οι οποίοι συμβάλλουν και προλαμβάνουν στις ασθένειες αυτές. Ταυτόχρονα επισημαίνεται η ανάγκη υπολογιστικών μεθόδων και ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιούνται από τους μηχανικούς, καθώς επίσης και μία ιστορική αναδρομή των προσομοιώσεων σε βιολογικά συστήματα, τα τελευταία χρόνια. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται έκφανση στον ορισμό της προσομοίωσης και στην χρησιμότητά της σε βιολογικά ζητήματα. Στο παρόν κεφάλαιο παραθέτουμε 4 παραδείγματα προσομοιώσεων, τα οποία αναλύονται και επιβεβαιώνουν την χρησιμότητα τους στον βιοϊατρικό κλάδο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία του γλυμφατικού συστήματος και ο ρόλος του στον ανθρώπινο οργανισμό. Ταυτόχρονα, αναλύονται όλα τα επιμέρους τμήματα, τα οποία το απαρτίζουν, καθώς και η συνεισφορά τους στο πεδίο αυτό. Στο τέταρτο κεφάλαιο παραθέτουμε έναν οδηγό χρήσης του λογισμικού, με ταυτόχρονη εισαγωγή του δικού μας μοντέλου, το οποίο λειτουργεί και ως αναλυτικό παράδειγμα χρησιμοποίησης του προγράμματος. Συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο αυτό γίνεται επιλογή βήμα προς βήμα όλων των παραμέτρων, όπως για παράδειγμα του μοντέλου, του χώρου, της γεωμετρίας, του υλικού και της φυσικής. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται να αποτελέσματα των προσομοιώσεων για την υγιή και για την παθολογική κατάσταση και τέλος το έκτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα συμπεράσματα και την μελλοντική έρευνα που μπορεί να διαδραματιστεί.