Nye eksperimentelle beviser låser op for et puslespil inden for vaskulær vævsteknik

Angiogenese er en proces med dannelse af hierarkiske vaskulære netværk i levende væv. Dens kompleksitet gør den kontrollerede generering af blodkar under laboratorieforhold til en meget udfordrende opgave.

En lovende tilgang til konstruktion af vaskulære strukturer er afhængig af brugen af ​​mikrostrukturerede biomaterialer, som kan hjælpe med at styre angiogenese, og som som sådan er blevet grundigt undersøgt over hele verden - især med henblik på behandling af vaskulære sygdomme.

For nylig har forskere ved Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi med succes låst op for et puslespil inden for vaskulær vævsteknik, hvilket giver vigtige eksperimentelle beviser for forståelse og kontrol af den spirende angiogenese in vitro. Studiet er publiceret i tidsskriftet APL Bioengineering .

Angiogenese er en kompleks proces, der involverer dannelsen af ​​nye blodkar fra de allerede eksisterende via en proces med kardeling og spiring. Angiogenese kan forekomme i alle dele af kroppen og er så kompleks, at dens kontrol og/eller efterligning i et laboratoriemiljø er blevet en af ​​de centrale udfordringer for bioteknologi.

Fuld forståelse og kontrol af dannelsen af ​​vaskulære netværk kan hjælpe med at håndtere en bred vifte af sygdomme, lige fra regenerering af blodkar, der er blevet beskadiget af traumer, til behandling af metastatisk cancer, hvilket gør kontrolleret angiogenese til en hellig gral af regenerativ medicin.

I forlængelse heraf gennemførte forskere ved Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (ICP PAS) en række eksperimenter om udviklingen af ​​de spirende kapillærnetværk ved hjælp af fibringler som det understøttende vævslignende materiale og etablerede mulige generelle dynamiske principper styrer den spirende angiogenese.

Før denne banebrydende forskning har studiet af udviklingen af ​​de spirende mikrovaskulære netværk i vid udstrækning været baseret på analysen af ​​et enkelt eller højst flere tidspunkter i kulturen. Selvom denne tilgang var tilstrækkelig til at vurdere de overordnede tendenser i vækst, tillod den aldrig at dechifrere de forskellige stadier af den mikrovaskulære udvikling in vitro.

For at afdække de mulige regler, der styrer den angiogene dynamik, er mange og forskellige teoretiske tilgange på forskellige niveauer af kompleksitet blevet foreslået. Desværre har en direkte sammenligning af de teoretiske forudsigelser med eksperimenterne været begrænset på grund af knapheden på de tidsopløste eksperimentelle data, hvorfor de fleste teoretiske undersøgelser kun var baseret på en kvalitativ sammenligning af de sene morfologier.

Dette puslespil er for nylig blevet løst med nye eksperimenter og specialudviklede automatiserede billedanalyseværktøjer af et team af forskere fra IPC PAS og deres samarbejdspartnere fra Institut for Teoretisk Fysik ved University of Warszawa. I deres arbejde demonstrerede forskerne muligheden for at udvinde detaljerede statistisk-topologiske træk ved spirende mikrovaskulære netværk.

Et af målene med projektet var udviklingen af ​​mere pålidelige og reproducerbare angiogenese-baserede lægemiddeltestanalyser samt nye strategier for vaskulær vævsmanipulation. Hvordan virker det?

Forskere isolerede spirende mikrovaskulære netværk og overvågede deres vækst dag for dag i 14 dage under velkontrollerede dyrkningsforhold. De registrerede en række morfometriske parametre såsom den samlede længde af spirerne, deres areal, såvel som de statistiske fordelinger af længderne af individuelle grene eller forgreningsvinklerne.

Baseret på mikroskopiske billeder indsamlet fra flere parallelle eksperimenter, blev der udført storstilet statistisk analyse. Samtidig var observationerne fokuseret på dynamikken i den vaskulære netværksdannelse for at bestemme de karakteristiske træk ved de angiogene vækstprocesser. Målet var at forstå kompleksiteten af ​​de tidlige stadier af angiogenese, som omfatter dannelsen af ​​spirer og deres bifurkationer efterfulgt af dannelsen af ​​sammenkoblinger osv.

Dr. Rojek, den første forfatter til dette arbejde, siger:"Vi tror, ​​vores arbejde er unikt, da vi bygger vores model for dannelsen og udviklingen af ​​spirende vaskulære netværk på en stor mængde biologiske data.

"Hidtil har de fleste konklusioner og regler været leveret af matematisk modellering, som er et meget kraftfuldt værktøj, men som ofte lider under oversimplifikationer og ikke formår at gengive de faktiske biologiske systemer. Dette understreger, hvor vigtigt det tætte samarbejde mellem eksperimentelister og teoretikere er."

Forfatterne udviklede nye billedanalyseprotokoller, der gjorde det muligt for dem at bestemme de ovennævnte parametre på en automatiseret måde.

"Vores software, skrevet i Python-programmeringssproget, er optimeret til behandling af en stor mængde data fra flere eksperimenter. Det giver en solid baggrund med hensyn til implementering og tilbyder hurtig beregningstid.

"De tidsopløste data, der spænder over hele netværkets levetid, gjorde det muligt for os at foreslå grundlæggende regler for den topologiske udvikling af de spirende mikrovaskulaturer," tilføjer Ph.D. kandidat Antoni Wrzos og prof. Szymczak, der ledede udviklingen af ​​dataanalysesoftwaren.

Forskere udførte undersøgelser via dag-for-dag sporing af udviklingen af ​​spirende netværk med brug af Python-programmeringssprog til at levere detaljerne om topologien af ​​netværkene, herunder forgreningsvinklerne og deres distributioner. Præsenterede undersøgelser resulterede i et bredt bibliotek af data om de typiske netværksdannelsesstadier.

Disse stadier omfattede især (i) et indledende inaktivt stadium, hvor cellerne prolifererede uden at danne spirer, (ii) et hurtigt vækststadium, hvor spirer forlængede og forgrenede sig, og (iii) et sidste modningsstadie, hvor væksthastigheden aftog ned. Analyser leverede også data om vækstforskellene i forskellige medier, hvilket indikerer virkningen af ​​den tilføjede vaskulære endoteliale vækstfaktor på opførsel af dyrkede celler.

Den vigtigste effekt af de "berigede" medier var den tidligere spiring og stigningen i antallet af grene, hvorimod den lineære væksthastighed af grene forblev uafhængig af den tilføjede vækstfaktor. Den statistiske morfometriske analyse udført af forskere fra IPC PAS afslørede desuden, at forgreningsvinklerne svingede omkring en gennemsnitsværdi, som ganske overraskende forekom tæt på den "magiske" værdi på 72 grader, der er karakteristisk for de såkaldte Laplacian-vækstmodeller, sidstnævnte typisk anvendes til at beskrive vækst af krystaller eller opløsning af sprækkede bjergarter.

Analogien antyder, at – ligesom i de Laplacian-modeller – kan de fremadskridende spidser af spirerne have tendens til at følge de lokale gradienter af vækstfaktorkoncentrationen.

"Samlet kan vores resultater, på grund af deres høje statistiske relevans, tjene f.eks. som et benchmark for prædiktive modeller. Fremtidige undersøgelser kan potentielt give en bedre forståelse af, hvordan de eksterne signaler påvirker vaskularisering i biomaterialer med indlejrede endotelfrø og bidrage til at optimere vævsreparationsstrategier, f.eks. via korrekt design af de prævaskulariserede sårbandager," bemærker Dr. Guzowski.

Da angiogenesen er en kompleks proces, der afhænger af mange faktorer, har forskere i dette arbejde leveret resultater, der kan være nyttige i forståelsen af ​​angiogenese in vitro, f.eks. under lægemiddeltest-assays såvel som i vævsteknologi. Det præsenterede arbejde kan være et skridt i retning af hurtigere og mere effektiv testning af nye lægemidler og udvikling af personaliserede medicinske behandlinger.

Baseret på de numeriske analyser har foreslåede undersøgelser et potentiale for forbedring af resultaterne af high-throughput screeningsundersøgelser. Forfatterne påpeger vigtigheden af ​​udviklingen af ​​databiblioteker som et af de mest kritiske trin i identifikation af potentielle lægemiddelkandidater såvel som i fremtidige anvendelser inden for bioteknologi. Udover det videnskabelige aspekt af de demonstrerede undersøgelser understreger forfatterne betydningen af ​​tværfaglighed i forskningen.

Flere oplysninger: Katarzyna O. Rojek et al., Langsigtet dag-for-dag sporing af mikrovaskulære netværk, der spirer i fibringeler:Fra detaljerede morfologiske analyser til generelle vækstregler, APL Bioengineering (2024). DOI:10.1063/5.0180703

Journaloplysninger: APL Bioengineering

Leveret af det polske videnskabsakademi