Computational Fluid Dynamic Simulations of Maternal Circulation: Wall Shear Stress in the Human Placenta and Its Biological Implications

Autor: Abdul I. Barakat, Mrugank Bhatt, L. J. Salomon, Philippe Deloron, Edouard Lecarpentier, Gwladys Bertin, Vassilis Tsatsaris, Thierry Fournier, Benjamin Deloison
Přispěvatelé: Physiopathologie et Pharmacotoxicologie Placentaire Humaine (U1139), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), PremUp Foundation, Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-CHI Créteil-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Service de Gynécologie et Obstétrique [Cochin], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpital Cochin [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP), DHU Risques Et Grossesse, Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'hydrodynamique (LadHyX), École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Mère et enfant en milieu tropical : pathogènes, système de santé et transition épidémiologique (MERIT - UMR_D 216), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5), Fédération pour la recherche en explorations et thérapeutiques innovantes in utéro (FETUS - EA 7328), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5), CHU Necker - Enfants Malades [AP-HP], Paris-Centre de Recherche Cardiovasculaire (PARCC - UMR-S U970), Hôpital Européen Georges Pompidou [APHP] (HEGP), Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpitaux Universitaires Paris Ouest - Hôpitaux Universitaires Île de France Ouest (HUPO)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpitaux Universitaires Paris Ouest - Hôpitaux Universitaires Île de France Ouest (HUPO)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Physiopathologie et Pharmacotoxicologie Placentaire Humaine ( U1139 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Sorbonne Universités-Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -CHI Créteil-Institut de Recherche pour le Développement ( IRD ) -Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Université Paris Diderot - Paris 7 ( UPD7 ), Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP)-CHU Cochin [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP)-Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire d'hydrodynamique ( LadHyX ), École polytechnique ( X ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Mère et enfant face aux infections tropicales ( MERIT - UMR_D 216 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut de Recherche pour le Développement ( IRD ), Fédération pour la recherche en explorations et thérapeutiques innovantes in utéro ( FETUS - EA 7328 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ), Paris-Centre de Recherche Cardiovasculaire ( PARCC - U970 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Hôpital Européen Georges Pompidou [APHP] ( HEGP ), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-CHI Créteil-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Hôpital Européen Georges Pompidou [APHP] (HEGP), Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpitaux Universitaires Paris Ouest - Hôpitaux Universitaires Île de France Ouest (HUPO)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpitaux Universitaires Paris Ouest - Hôpitaux Universitaires Île de France Ouest (HUPO), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Universités-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-CHI Créteil-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (APHP)-CHU Cochin [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (APHP)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X), Mère et enfant face aux infections tropicales (MERIT - UMR_D 216), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Hôpital Européen Georges Pompidou [APHP] (HEGP), Hôpitaux Universitaires Paris Ouest - Hôpitaux Universitaires Île de France Ouest (HUPO)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (APHP)-Hôpitaux Universitaires Paris Ouest - Hôpitaux Universitaires Île de France Ouest (HUPO)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (APHP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2016
Předmět:
0301 basic medicine
Embryology
Erythrocytes
Physiology
Placenta
Maternal Health
Hemodynamics
lcsh:Medicine
Diagnostic Radiology
0302 clinical medicine
Pregnancy
Animal Cells
Red Blood Cells
Blood Flow
Medicine and Health Sciences
[PHYS.MECA.MEFL]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Fluid mechanics [physics.class-ph]
lcsh:Science
Shear Stresses
030219 obstetrics & reproductive medicine
Multidisciplinary
[PHYS.MECA.MEFL]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of the fluids [physics.class-ph]
Radiology and Imaging
Physics
[ PHYS.MECA.MEFL ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of the fluids [physics.class-ph]
Obstetrics and Gynecology
Classical Mechanics
Intervillous space
Hematology
Arteries
Magnetic Resonance Imaging
Body Fluids
Circulation (fluid dynamics)
medicine.anatomical_structure
Blood
embryonic structures
Physical Sciences
cardiovascular system
Mechanical Stress
Female
Anatomy
Cellular Types
Shear Strength
Blood Flow Velocity
circulatory and respiratory physiology
Research Article
Imaging Techniques
Research and Analysis Methods
Models
Biological
Andrology
03 medical and health sciences
Syncytiotrophoblast
Diagnostic Medicine
medicine
Shear stress
Humans
Computer Simulation
Blood Cells
lcsh:R
Reproductive System
Biology and Life Sciences
Blood flow
Cell Biology
medicine.disease
030104 developmental biology
Immunology
Cardiovascular Anatomy
Hydrodynamics
Women's Health
Blood Vessels
lcsh:Q
Stress
Mechanical
Developmental Biology
Zdroj: PLoS ONE
PLoS ONE, 2016, 11 (1), pp.e0147262. ⟨10.1371/journal.pone.0147262⟩
PLoS ONE, Public Library of Science, 2016, 11 (1), pp.e0147262. 〈10.1371/journal.pone.0147262〉
PLoS ONE, Vol 11, Iss 1, p e0147262 (2016)
PLoS ONE, Public Library of Science, 2016, 11 (1), pp.e0147262. ⟨10.1371/journal.pone.0147262⟩
ISSN: 1932-6203
Popis: Introduction In the human placenta the maternal blood circulates in the intervillous space (IVS). The syncytiotrophoblast (STB) is in direct contact with maternal blood. The wall shear stress (WSS) exerted by the maternal blood flow on the STB has not been evaluated. Our objective was to determine the physiological WSS exerted on the surface of the STB during the third trimester of pregnancy. Material and Methods To gain insight into the shear stress levels that the STB is expected to experience in vivo, we have formulated three different computational models of varying levels of complexity that reflect different physical representations of the IVS. Computations of the flow fields in all models were performed using the CFD module of the finite element code COMSOL Multi-physics 4.4. The mean velocity of maternal blood in the IVS during the third trimester was measured in vivo with dynamic MRI (0.94 +/- 0.14 mm.s(-1)). To investigate if the in silico results are consistent with physiological observations, we studied the cytoadhesion of human parasitized (Plasmodium falciparum) erythrocytes to primary human STB cultures, in flow conditions with different WSS values. Results The WSS applied to the STB is highly heterogeneous in the IVS. The estimated average values are relatively low (0.5 +/- 0.2 to 2.3 +/- 1.1 dyn.cm(-2)). The increase of WSS from 0.15 to 5 dyn.cm(-2) was associated with a significant decrease of infected erythrocyte cytoadhesion. No cytoadhesion of infected erythrocytes was observed above 5 dyn.cm(-2) applied for one hour. Conclusion Our study provides for the first time a WSS estimation in the maternal placental circulation. In spite of high maternal blood flow rates, the average WSS applied at the surface of the chorionic villi is low (
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