_ Noi dovezi experimentale deblochează un puzzle în domeniul vascular ingineria țesuturilor

Angiogeneza este un proces de formare a rețelelor vasculare ierarhice în țesuturile vii. Complexitatea sa face ca generarea controlată a vaselor de sânge în condiții de laborator să fie o sarcină extrem de provocatoare.

O abordare promițătoare a ingineriei structurilor vasculare se bazează pe utilizarea de biomateriale microstructurate care pot ajuta la ghidarea angiogenezei și care, ca atare , au fost studiate pe scară largă la nivel mondial, în special în vederea tratamentului bolilor vasculare.

Recent, oamenii de știință de la Institutul de Chimie Fizică al Academiei Polone de Științe au deblocat cu succes un puzzle în ingineria țesuturilor vasculare, oferind dovezi experimentale importante pentru înțelegerea și controlul angiogenezei germinative in vitro. Studiul este publicat în revista APL Bioengineering.

Angiogeneza este un proces complex care implică formarea de noi vase de sânge din cele preexistente printr-un proces de diviziune și încolțire a vaselor. Angiogeneza poate apărea în orice parte a corpului și este atât de complexă încât controlul și/sau imitarea ei într-un cadru de laborator a devenit una dintre provocările centrale ale bioingineriei.

Înțelegerea și controlul complet al formării vasculare. rețelele ar putea ajuta la gestionarea unei game largi de boli, de la regenerarea vaselor de sânge care au fost afectate de traume până la tratamentul cancerului metastatic, făcând angiogeneza controlată un sfânt graal al medicinei regenerative.

Urmând acest exemplu, cercetătorii de la Institutul de Chimie Fizică al Academiei Poloneze de Științe (ICP PAS) au efectuat o serie de experimente privind evoluția rețelelor capilare de germinare folosind geluri de fibrină ca material de susținere asemănător țesutului și au stabilit posibile principii dinamice generale care guvernează angiogeneza germinativă. .

Înainte de această cercetare revoluționară, studiul evoluției rețelelor microvasculare încolțite s-a bazat în mare parte pe analiza unui singur sau cel mult mai multe momente de timp din cultură. Deși această abordare a fost suficientă pentru a estima tendințele generale de creștere, nu a permis niciodată descifrarea diferitelor etape ale evoluției microvasculare in vitro.

Pentru a descoperi posibilele reguli care guvernează dinamica angiogenă, multe și diverse abordări teoretice au fost propuse la diferite niveluri de complexitate. Din păcate, o comparație directă a predicțiilor teoretice cu experimentele a fost limitată din cauza deficitului de date experimentale rezolvate în timp, prin urmare majoritatea studiilor teoretice s-au bazat doar pe o comparație calitativă a morfologiilor tardive.

Acest puzzle a fost rezolvat recent cu noi experimente și instrumente de analiză automată a imaginilor dezvoltate personalizat de o echipă de cercetători de la IPC PAS și colaboratorii lor de la Institutul de Fizică Teoretică al Universității din Varșovia. În munca lor, cercetătorii au demonstrat posibilitatea de a extrage caracteristici statistico-topologice detaliate ale rețelelor microvasculare încolțite.

Unul dintre obiectivele proiectului a fost dezvoltarea unor teste de testare a medicamentelor bazate pe angiogeneză mai fiabile și reproductibile, ca precum și noi strategii pentru ingineria țesuturilor vasculare. Cum funcționează?

Cercetătorii au izolat rețelele microvasculare încolțite și le-au monitorizat creșterea zi de zi timp de 14 zile în condiții de cultură bine controlate. Ei au înregistrat o serie de parametri morfometrici, cum ar fi lungimea totală a mugurilor, aria lor, precum și distribuțiile statistice ale lungimii ramurilor individuale sau unghiurile de ramificare.

Pe baza imaginilor microscopice colectate din mai multe experimente paralele, a fost efectuată o analiză statistică la scară largă. În același timp, observațiile s-au concentrat pe dinamica formării rețelei vasculare pentru a determina trăsăturile caracteristice ale proceselor de creștere angiogenică. Scopul a fost înțelegerea complexității stadiilor incipiente ale angiogenezei care includ formarea lăstarilor și bifurcațiile acestora urmate de formarea interconexiunilor etc.

Dr. Rojek, primul autor al acestei lucrări spune: „Credem că munca noastră este unică, deoarece ne construim modelul de formare și evoluție a rețelelor vasculare încolțite pe o cantitate mare de date biologice.

„Până în prezent, majoritatea concluziilor și regulilor au fost furnizate de modelarea matematică, care este un instrument foarte puternic, dar suferă adesea de simplificări excesive și nu reușește să reproducă sistemele biologice reale. Acest lucru subliniază cât de importantă este colaborarea strânsă dintre experimentați și teoreticieni.”

Autorii au dezvoltat noi protocoale de analiză a imaginilor care le-au permis să determine parametrii menționați mai sus într-o manieră automată.

" Software-ul nostru, scris în limbajul de programare Python, este optimizat pentru procesarea unei cantități mari de date din mai multe experimente. Oferă un fundal solid în ceea ce privește implementarea și oferă timp de calcul rapid.

„Datele rezolvate în timp, care acoperă întreaga durată de viață a rețelelor, ne-au permis să propunem reguli de bază care guvernează dezvoltarea topologică a microvasculaturilor încolțite. ”, adaugă Ph.D. candidatul Antoni Wrzos și prof. Szymczak, care a condus dezvoltarea software-ului de analiză a datelor.

Oamenii de știință au efectuat studii prin urmărirea zilnică a evoluției rețelelor în creștere folosind limbajul de programare Python pentru a furniza detaliile topologiei rețelele inclusiv unghiurile de ramificare și distribuțiile acestora. Studiile prezentate au dus la o bibliotecă largă de date despre etapele tipice de formare a rețelei.

În special, acele etape au inclus (i) o etapă inactivă inițială când celulele au proliferat fără a forma muguri, (ii) o creștere rapidă. etapă în care mugurii s-au alungit și ramificat și (iii) o etapă finală de maturare în care ritmul de creștere a încetinit. Analizele au furnizat, de asemenea, date despre diferențele de creștere în diferite medii, indicând impactul factorului de creștere a endoteliului vascular adăugat asupra comportamentului celulelor cultivate.

Cel mai important efect al mediului „îmbogățit” a fost încolțirea mai timpurie și creșterea numărului de ramuri, în timp ce rata liniară de creștere a ramurilor a rămas independentă de factorul de creștere adăugat. Analiza morfometrică statistică efectuată de cercetătorii de la IPC PAS a relevat în plus că unghiurile de ramificare au fluctuat în jurul unei valori medii care, în mod destul de surprinzător, părea apropiată de valoarea „magică” de 72 de grade caracteristică așa-numitelor modele de creștere laplaciene, acestea din urmă tipic. aplicat pentru a descrie creșterea cristalelor sau dizolvarea rocilor fracturate.

Analogia sugerează că, la fel ca în modelele laplaciene, vârfurile în avans ale mugurilor pot avea tendința de a urma gradienții locali ai concentrației factorului de creștere. .

„În mod colectiv, rezultatele noastre, datorită relevanței lor statistice ridicate, pot servi, de exemplu, drept etalon pentru modelele predictive. Studiile viitoare ar putea oferi o mai bună înțelegere a modului în care indicii externi afectează vascularizarea în biomateriale. cu semințe endoteliale încorporate și ajută la optimizarea strategiilor de reparare a țesuturilor, de exemplu, prin proiectarea adecvată a pansamentelor prevascularizate pentru răni”, remarcă dr. Guzowski.

Deoarece angiogeneza este un proces complex care depinde de mulți factori, în această lucrare cercetătorii au furnizat constatări care pot fi utile în înțelegerea angiogenezei in vitro, de exemplu, în timpul testelor de testare a medicamentelor, precum și în țesuturi. Inginerie. Lucrarea prezentată poate fi un pas către testarea mai rapidă și mai eficientă a noilor medicamente și dezvoltarea de tratamente medicale personalizate.

Pe baza analizelor numerice, studiile propuse au un potențial de îmbunătățire a rezultatelor rezultatelor înalte. studii de screening de debit. Autorii subliniază importanța dezvoltării bibliotecilor de date ca fiind unul dintre cei mai critici pași în identificarea potențialilor candidați la medicamente, precum și în aplicațiile viitoare în bioinginerie. Pe lângă aspectul științific al studiilor demonstrate, autorii subliniază importanța interdisciplinarității în cercetare.

(Fluierul)