Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/77533
Title: Simulation of transport of spherical particles through hydrogel and row of parallel fibers for applications in glomerular filtration in normal and nephrotic humans
Other Titles: การจำลองการขนส่งอนุภาคทรงกลมผ่านไฮโดรเจลและแถวไฟเบอร์ขนานเพื่อการประยุกต์กับการกรองผ่านโกลเมอร์รูลัสในคนปกติและผู้ป่วยโรคไต
Authors: Numpong Punyaratabandhu
Advisors: Panadda Dechadilok
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Science
Advisor's Email: Panadda.D@Chula.ac.th
Issue Date: 2015
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: The renal main function is to remove excess fluid and solutes as well as metabolic waste to keep the normal blood volume and composition. It is believed that the first step of renal urine formation in kidney is blood ultrafiltration through glomerular capillary wall consisting of three cellular layers: the endothelium, the glomerular basement membrane (GBM) and the epithelium. The objective of the work presented in this thesis is to investigate how particle sizes and particle interaction with the nanostructure of the three layers affect glomerular size-selectivity and fluid permeability through the glomerular barrier using a mathematical simulation. The ultrastructural model, developed by Edwards and Deen (1999) is employed but with the effect of the endothelial cell layer on solute restriction included in addition to the contributions of the epithelial cell layer and the GBM. In this work, the GBM was modeled as a hydrogel consisting of type IV collagen and glycosaminoglycan (GAG). The contribution of two fibers to hindered diffusion of solutes in GBM was investigated using existing theory regarding diffusion in fibrous media. It is found that only the GAG-solute interaction had an effect on drag and solute diffusivity due to its much higher number in the GBM. The reduced diffusivity in the GAG-filled endothelium fenestrae was calculated the same way. Convective hindrance factor in the GBM was determined by employing the theory of Brinkman medium using its Darcy permeability. The slit diaphragm in the epithelial cell layer was modeled as row of parallel fibers with non-uniform spacing between adjacent fibers following the log-normal distribution. Mean values of half of fiber spacing were set at 12.10 (from scanning electron microscopy observation), 22 nm (from helium ion microscopy) and 2 nm (from transmitting electron microscopy observation and electron tomography). Endothelial cell layer was modeled as a layer having fenestrae that were much larger than solute sizes and filled with GAG-riched glycocalyx. The assumption for this layer was that the drag on solute due to solute-fenestrae wall interaction can be negligible, and only GAG-solute interaction in fenestrae caused diffusivity reduction and change in convection rate of solutes. Diffusive and convective hindrance factor in endothelium were completed in the same way as those in the GBM, but its Darcy permeability was calculated using the Amsden expression by assuming that it was gel with random array of cylinders. The obtained total sieving coefficient calculated under the assumption above agreed with experimental data from in vivo urinalysis, and the calculated hydraulic permeability falls within the range estimated from human glomerular filtration rate. The calculated results showed that the endothelial cell layer and the GBM significantly contributed to solute and fluid restriction of glomerular barrier. The absence of GAGs that filled the endothelial fenestrae can cause more than an order of magnitude increase in total sieving coefficient, whereas the contribution of the epithelial slit to glomerular size-selectivity is likely to be smaller than previously believed.
Other Abstract: ไตเป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่กรองของไหลและตัวถูกละลายส่วนเกินรวมไปถึงของเสียจากกระบวนการเผาผลาญเพื่อรักษาองค์ประกอบและปริมาตรของเลือดให้อยู่ในระดับปกติ เราเชื่อกันว่าขั้นตอนแรกของการเกิดปัสสาวะของไตคือกระบวนการกรองเลือดผ่านผนังหลอดเลือดฝอยในโกลเมอร์รูลัสซึ่งประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 3 ชั้น ได้แก่ ชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรง. โกลเมอร์รูลาร์ เบสเมนต์ เมมเบรนและชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุผิว ในปัจจุบัน ถึงแม้ว่าจะมีการทดลองทางการแพทย์มากมายเกี่ยวกับการกรองเลือดผ่านโกลเมอร์รูลัส แต่ความเข้าใจในผลของสมบัติพื้นฐานของตัวถูกละลายและอันตรกิริยาระหว่างตัวถูกละลายกับโครงสร้างระดับนาโนที่มีต่อการกรองมหโมเลกุลและของไหลก็ยังคงไม่สมบูรณ์ วัตถุประสงค์ของการวิจัยที่นำเสนอในวิทยานิพนธ์นี้คือการศึกษาผลของขนาดของอนุภาคและอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคกับโครงสร้างระดับนาโนของเนื้อเยื่อทั้ง 3 ชั้นที่มีต่อทั้งการคัดกรองโดยใช้ขนาดของโกลเมอร์รูลัสและการซึมผ่านของของไหลโดยใช้การจำลองทางคณิตศาสตร์ ในงานวิทยานิพนธ์ชิ้นนี้แบบจำลองระดับจุลภาคที่ Edwards และ Deen เคยทำไว้ในปี 1999 จะถูกนำมาใช้ในงานวิทยานิพนธ์ชิ้นนี้ นอกเหนือจากบทบาทในการกีดขวางตัวถูกละลายของโกลเมอร์รูลาร์ เบสเมนต์ เมมเบรนและชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุผิวแล้ว ผลของชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงที่มีต่อเรื่องดังกล่าวก็จะถูกพิจารณาเพิ่มเข้าไปด้วยโกลเมอร์รูลาร์ เบสเมนต์ เมมเบรนจะถูกจำลองเป็นไฮโดรเจลที่ประกอบด้วยคอลลาเจนประเภทที่ 4 และไกลโคอะมิโนไกลแคน เราจะศึกษาบทบาทของเส้นใยทั้งสองชนิดที่มีต่อการแพร่ของตัวถูกละลายที่ถูกกีดขวางในชั้นดังกล่าวโดยใช้ทฤษฎีเกี่ยวกับการแพร่ในตัวกลางอันเต็มไปด้วยเส้นใยที่มีอยู่ เราพบว่าอันตรกิริยาเฉพาะไกลโคอะมิโนไกลแคนกับตัวถูกละลายเท่านั้นที่มีผลต่อแรงต้านและสภาพการแพร่ของตัวถูกละลาย ในทางกลับกัน เราจะศึกษาการพาของตัวถูกละลายที่ถูกกีดขวางด้วยทฤษฎีของตัวกลางแบบบริงค์แมนโดยใช้ค่าการซึมผ่านของดาร์ซีของโกลเมอร์รูลาร์ เบสเมนต์ เมมเบรน สำหรับชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุผิว เราจะมองสลิตไดอะเฟรมในชั้นเนื้อเยื่อดังกล่าวเป็นแถวไฟเบอร์ขนานที่มีขนาดของช่องว่างระหว่างไฟเบอร์ไม่สม่ำเสมอกันโดยเป็นไปตามการกระจายแบบแกมมาหรือแบบลอกนอร์มอล เราจะตั้งค่าเฉลี่ยของครึ่งหนึ่งของขนาดช่องว่างระหว่างไว้ที่ 12.10(ค่าที่ได้จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลกตรอนแบบส่องกราด), 22(ค่าที่ได้จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้ไอออนของฮีเลียม) และ 2 นาโนเมตร(ค่าที่ได้จาการสังเกตกล้องจุลทรรศน์อิเลกตรอนแบบส่องผ่านและเทคนิคอิเลกตรอน โทโมกราฟี) ส่วนชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงนั้นถูกจำลองเป็นแบบชั้นที่มีช่องซึ่งขนาดใหญ่กว่าตัวถูกละลายมากอันถูกปิดด้วยชั้นเยื่อหุ้มรอบนอกสุดที่อุดมไปด้วยไกลโคอะมิโนไกลแคน สมมติฐานสำหรับชั้นเนื้อเยื่อนี้คือเราสามารถละการคิดแรงต้านบนตัวถูกละลายอันเนื่องมาจากอันตรกิริยาระหว่างตัวถูกละลายกับผนังของช่องได้ และเฉพาะอันตรกิริยาระหว่างไกลโคอะมิโนไกลแคนกับตัวถูกละลายเท่านั้นที่ก่อให้เกิดการลดลงของสภาพการแพร่และการเปลี่ยนแปลงอัตราการพาของตัวถูกละลาย เราจะหาแฟคเตอร์บอกการกีดขวางการแพร่และการพาในชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงด้วยวิธีการเดียวกันกับที่ใช้กับโกลเมอร์รูลาร์ เบสเมนต์ เมมเบรน แต่เราจะคำนวณหาค่าบอกซึมผ่านของดาร์ซีของชั้นดังกล่าวโดยสมมติว่ามันเป็นเจลที่มีแถวของทรงกระบอกแบบไขว้ไปมา สัมประสิทธิ์การกรองแบบรวมที่คำนวณได้ภายใต้สมมติฐานข้างต้นสอดคล้องกับผลการทดลองที่ได้จากการตรวจปัสสาวะเมื่อร้อยละของปริมาตรของไกลโคอะมิโนไกลแคนในช่องของชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงเท่ากับ 7 โดยที่ไม่ขึ้นกับว่าค่าบอกการซึมผ่านของดาร์ซีของชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงเป็นเท่าใด ผลการคำนวณแสดงให้เห็นว่าชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงและโกลเมอร์รูลาร์ เบสเมนต์ เมมเบรนจะมีบทบาทสำคัญในการกีดขวางตัวถูกละลายของผนังหลอดเลือดฝอยในโกลเมอร์รูลัส โดยค่าบอกการซึมผ่านของแรงดันน้ำของโกลเมอร์รูลัสแบบรวมที่ได้จากการคำนวณจะมีค่าอยู่ในช่วงที่มีการรายงานไว้ในการ กรองผ่านโกลเมอร์รูลัสของมนุษย์ สำหรับในกรณีของความผิดปกติที่เกิดขึ้นภายในไต การหายไปของสลิตไดอะเฟรมในชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุผิวจะทำให้สัมประสิทธิ์การกรองแบบรวมเปลี่ยนไปเพียงแค่เล็กน้อย แต่ถ้าชั้นเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรงหายไปอีกชั้นหนึ่ง จะทำให้สัมประสิทธิ์การกรองโดยรวมเปลี่ยนไปมากถึงระดับขนาดหนึ่ง
Description: Thesis (M.Sc.)--Chulalongkorn University, 2015
Degree Name: Master of Science
Degree Level: Master's Degree
Degree Discipline: Physics
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/77533
Type: Thesis
Appears in Collections:Sci - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
5772030723.pdf2.7 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.