脑脊液流动动力学及其在药物输送中的应用研究
脑脊液流动动力学及其在药物输送中的应用研究
背景介绍
脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）在人类脊髓腔中扮演着至关重要的角色，负责运输溶解的营养物质和废物。由于其脉动性，CSF的流动受到心脏和呼吸周期的影响。近年来，随着对中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）疾病治疗需求的增加，如何优化鞘内（Intrathecal, IT）药物输送成为了研究热点。鞘内注射通过利用CSF的流体动力学特性，能够将治疗分子直接输送到中枢神经系统，从而提高治疗效果。
然而，现有的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型大多基于个体或小群体，由于脊髓腔几何形状的显著变异性，这些研究结果可能无法推广到更广泛的人群。因此，本研究旨在通过评估个体脊髓蛛网膜下腔（Spinal Subarachnoid Space, SAS）的几何形状，建立一种通用的原则来优化鞘内注射协议，从而提高药物输送的效率和效果。
论文来源
本论文由Ziyu Wang、Mohammad Majidi、Chenji Li和Arezoo Ardekani共同撰写，他们均来自Purdue University的机械工程学院。论文于2024年发表在Fluids and Barriers of the CNS期刊上，题为《Numerical study of the effects of minor structures and mean velocity fields in the cerebrospinal fluid flow》。
研究流程
1. 研究目标与方法
本研究的主要目标是识别一种通用原则，用于指导针对每位患者的鞘内注射协议的个性化设计。为此，研究人员通过数值模拟计算了典型脊髓蛛网膜下腔几何形状中的脉动CSF流场和拉格朗日速度场。研究还分析了微小解剖结构（如神经根、齿状韧带和波浪状蛛网膜）对药物输送的影响，并分别考察了主要机制——稳态流（Steady Streaming, SS）和斯托克斯漂移（Stokes Drift, SD）对质量传输的贡献。
2. 几何模型构建
研究人员构建了两个典型的脊髓蛛网膜下腔几何模型进行CFD模拟。第一个模型是一个偏心环形管道，外径为1.8厘米，内径为9毫米，偏心率为0.5。第二个模型在第一个模型的基础上添加了简化的微小结构，如神经根、齿状韧带和波浪状蛛网膜。每个几何模型跨越三个椎骨，每个椎骨高度为2厘米。
3. CFD模拟
研究人员使用OpenFOAM中的pimpleFoam求解器来处理非定常、不可压缩流动。采用有限体积法进行数值模拟，时间步长为0.004秒，网格最大尺寸为0.2毫米，以确保捕捉到复杂的流动和几何细节。模拟中假设CSF的脉动仅由心跳驱动，入口边界条件使用调整后的CSF流量时间剖面，以确保在感兴趣区域内的流场具有代表性。
4. 数据分析
通过计算周期平均的欧拉速度场、斯托克斯漂移速度场和拉格朗日速度场，研究人员量化了不同区域的向上和向下流动。此外，还计算了斯特劳哈尔数（Strouhal Number），用于表征药物粒子从椎骨底部到顶部所需的脉动次数。
主要结果
1. 微小结构对流动的影响
研究发现，微小结构（如神经根、齿状韧带和波浪状蛛网膜）在调节脊髓蛛网膜下腔内的流动和传输动力学中起着关键作用。这些结构可以增强流体传输，特别是在神经根附近，稳态流和斯托克斯漂移速度显著增加。
2. 周期平均速度场
在简化几何模型中，周期平均的欧拉速度场和拉格朗日速度场几乎相同，斯托克斯漂移速度较小。然而，在包含微小结构的几何模型中，周期平均速度场变得复杂，斯托克斯漂移速度与稳态流速度相当，且方向相反，导致拉格朗日速度场的整体幅度保持在较低水平。
3. 药物输送优化
研究结果表明，通过在脊髓腔的宽区域进行药物注射，可以显著提高药物的向上输送效率。这一发现为优化鞘内注射协议提供了重要依据，能够利用脊髓腔内的自然流动动力学来增强药物的输送效果。
结论与意义
本研究揭示了微小结构在脊髓蛛网膜下腔内流动和传输动力学中的重要作用，强调了在计算质量传输研究中使用粒子追踪的必要性。研究还阐明了脊髓腔几何形状与传输动力学之间的复杂关系，为优化鞘内注射协议提供了新的思路。通过设计将药物注入宽区域的注射协议，可以显著提高药物的输送效率和治疗效果。
研究亮点
- 微小结构的影响：研究首次系统性地分析了神经根、齿状韧带和波浪状蛛网膜对CSF流动和药物传输的影响，揭示了这些结构在增强流体传输中的关键作用。
- 粒子追踪的应用：研究强调了在计算质量传输研究中使用粒子追踪的重要性，揭示了欧拉速度场与拉格朗日速度场之间的显著差异。
- 通用原则的提出：研究提出了一种基于个体脊髓腔几何形状的通用原则，用于优化鞘内注射协议，具有重要的临床应用价值。
其他有价值的信息
研究还指出，未来的研究应进一步验证所提出的原则在患者特异性几何形状中的应用，并考虑脊髓曲率、组织变形以及重力对CSF流动和药物传输的影响。此外，呼吸和睡眠对CSF流动模式的影响也应纳入未来的研究范围。
通过本研究，我们不仅加深了对脊髓腔内流体动力学的理解，还为中枢神经系统疾病的治疗提供了新的思路和方法。