Wetenschap
Nieuw experimenteel bewijs ontsluit een puzzel in vasculaire weefselengineering
Angiogenese is een proces waarbij hiërarchische vasculaire netwerken in levende weefsels worden gevormd. De complexiteit ervan maakt het gecontroleerd aanmaken van bloedvaten in laboratoriumomstandigheden een zeer uitdagende taak.
Een veelbelovende benadering van de engineering van vasculaire structuren is gebaseerd op het gebruik van microgestructureerde biomaterialen die de angiogenese kunnen helpen sturen en die als zodanig wereldwijd uitgebreid zijn bestudeerd, vooral met het oog op de behandeling van vaatziekten.
Onlangs hebben wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen met succes een puzzel op het gebied van vasculaire weefselmanipulatie ontsluierd, waardoor belangrijk experimenteel bewijs is geleverd voor het begrijpen en beheersen van de kiemende angiogenese in vitro. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift APL Bioengineering .
Angiogenese is een complex proces waarbij nieuwe bloedvaten worden gevormd uit de reeds bestaande bloedvaten via een proces van vaatdeling en ontkiemen. Angiogenese kan in elk deel van het lichaam voorkomen en is zo complex dat de controle en/of nabootsing ervan in een laboratoriumomgeving een van de centrale uitdagingen van bio-engineering is geworden.
Volledig begrip en controle van de vorming van vasculaire netwerken zou kunnen helpen bij het beheersen van een breed scala aan ziekten, variërend van regeneratie van bloedvaten die zijn beschadigd door trauma tot de behandeling van uitgezaaide kanker, waardoor gecontroleerde angiogenese een heilige graal van regeneratieve geneeskunde wordt. P>
In navolging hiervan voerden onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (ICP PAS) een reeks experimenten uit naar de evolutie van de ontkiemende capillaire netwerken met behulp van fibrinegels als ondersteunend weefselachtig materiaal en stelden mogelijke algemene dynamische principes vast. die de kiemangiogenese regelt.
Vóór dit baanbrekende onderzoek was de studie van de evolutie van de ontkiemende microvasculaire netwerken grotendeels gebaseerd op de analyse van een enkel, of op zijn hoogst meerdere tijdstippen in de cultuur. Hoewel deze aanpak voldoende was om de algemene trends in de groei in te schatten, is het nooit mogelijk geweest de verschillende stadia van de microvasculaire evolutie in vitro te ontcijferen.
Om de mogelijke regels voor de angiogene dynamiek bloot te leggen, zijn er vele en diverse theoretische benaderingen op verschillende niveaus van complexiteit voorgesteld. Helaas is een directe vergelijking van de theoretische voorspellingen met de experimenten beperkt vanwege de schaarste aan tijdsopgeloste experimentele gegevens, daarom vertrouwden de meeste theoretische onderzoeken alleen op een kwalitatieve vergelijking van de late morfologieën.
Deze puzzel is onlangs opgelost met nieuwe experimenten en op maat ontwikkelde geautomatiseerde beeldanalysetools door een team van onderzoekers van IPC PAS en hun medewerkers van het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Warschau. In hun werk hebben de onderzoekers de mogelijkheid aangetoond om gedetailleerde statistisch-topologische kenmerken van ontkiemende microvasculaire netwerken te extraheren.
Een van de doelstellingen van het project was de ontwikkeling van betrouwbaardere en reproduceerbare op angiogenese gebaseerde medicijntests en nieuwe strategieën voor vasculaire weefselmanipulatie. Hoe werkt het?
Onderzoekers isoleerden kiemende microvasculaire netwerken en volgden hun groei dag na dag gedurende 14 dagen onder goed gecontroleerde kweekomstandigheden. Ze registreerden een reeks morfometrische parameters, zoals de totale lengte van de spruiten, hun oppervlakte, evenals de statistische verdelingen van de lengtes van individuele takken of de vertakkingshoeken.
Op basis van microscopische beelden verzameld uit meerdere parallelle experimenten werd grootschalige statistische analyse uitgevoerd. Tegelijkertijd waren de observaties gericht op de dynamiek van de vasculaire netwerkvorming om de karakteristieke kenmerken van de angiogene groeiprocessen te bepalen. Het doel was om de complexiteit van de vroege stadia van angiogenese te begrijpen, waaronder de vorming van spruiten en hun vertakkingen, gevolgd door de vorming van onderlinge verbindingen, enz.
Dr. Rojek, de eerste auteur van dit werk, zegt:"Wij denken dat ons werk uniek is, omdat we ons model voor de vorming en evolutie van ontkiemende vasculaire netwerken bouwen op een grote hoeveelheid biologische gegevens.
"Tot nu toe zijn de meeste conclusies en regels verkregen door wiskundige modellen, wat een zeer krachtig hulpmiddel is, maar vaak lijdt aan oversimplificaties en er niet in slaagt de werkelijke biologische systemen te reproduceren. Dit onderstreept hoe belangrijk de nauwe samenwerking is tussen experimentelen en theoretici."
De auteurs ontwikkelden nieuwe beeldanalyseprotocollen waarmee ze bovengenoemde parameters op geautomatiseerde wijze konden bepalen.
"Onze software, geschreven in de programmeertaal Python, is geoptimaliseerd voor de verwerking van een grote hoeveelheid gegevens uit meerdere experimenten. Het biedt een solide achtergrond qua implementatie en biedt snelle rekentijd.
"De tijdsopgeloste gegevens die de hele levensduur van de netwerken bestrijken, hebben ons in staat gesteld basisregels voor te stellen die de topologische ontwikkeling van de ontkiemende microvasculaturen regelen", voegt Ph.D. kandidaat Antoni Wrzos en prof. Szymczak die leiding gaf aan de ontwikkeling van de data-analysesoftware.
Wetenschappers hebben studies uitgevoerd via het dagelijks volgen van de evolutie van ontkiemende netwerken met behulp van de programmeertaal Python om de details van de topologie van de netwerken te leveren, inclusief de vertakkende hoeken en hun distributies. De gepresenteerde onderzoeken resulteerden in een brede bibliotheek met gegevens over de typische fasen van netwerkvorming.
Deze fasen omvatten met name (i) een aanvankelijk inactief stadium waarin de cellen zich vermenigvuldigden zonder spruiten te vormen, (ii) een snelle groeifase waarin de spruiten langwerpig en vertakt werden, en (iii) een laatste rijpingsfase waarin de groeisnelheid afnam. omlaag. Analyses leverden ook gegevens op over de groeiverschillen in verschillende media, wat de impact van de toegevoegde vasculaire endotheliale groeifactor op het gedrag van gekweekte cellen aangeeft.
Het belangrijkste effect van de "verrijkte" media was het vroeger uitlopen en de toename van het aantal takken, terwijl de lineaire groeisnelheid van de takken onafhankelijk bleef van de toegevoegde groeifactor. De statistische morfometrische analyse uitgevoerd door onderzoekers van IPC PAS onthulde bovendien dat de vertakkingshoeken fluctueerden rond een gemiddelde waarde die, heel verrassend, dichtbij de "magische" waarde van 72 graden leek, kenmerkend voor de zogenaamde Laplace-groeimodellen, waarbij de laatste typisch toegepast om de groei van kristallen of het oplossen van gebroken gesteenten te beschrijven.
De analogie suggereert dat – net als in de Laplace-modellen – de voortschrijdende toppen van de spruiten de neiging kunnen hebben om de lokale gradiënten van de groeifactorconcentratie te volgen.
"Gezamenlijk kunnen onze resultaten, vanwege hun hoge statistische relevantie, bijvoorbeeld dienen als een benchmark voor voorspellende modellen. Toekomstige studies zouden mogelijk kunnen zorgen voor een beter begrip van hoe de externe signalen de vascularisatie in biomaterialen met ingebedde endotheelzaden beïnvloeden en helpen bij het optimaliseren strategieën voor weefselherstel, bijvoorbeeld via het juiste ontwerp van de geprevasculariseerde wondverbanden", merkt Dr. Guzowski op.
Omdat de angiogenese een complex proces is dat van veel factoren afhangt, hebben onderzoekers in dit werk bevindingen opgeleverd die nuttig kunnen zijn bij het begrijpen van angiogenese in vitro, bijvoorbeeld tijdens het testen van geneesmiddelen en bij weefselmanipulatie. Het gepresenteerde werk kan een stap zijn in de richting van het sneller en effectiever testen van nieuwe medicijnen en de ontwikkeling van gepersonaliseerde medische behandelingen.
Op basis van de numerieke analyses hebben voorgestelde onderzoeken het potentieel om de uitkomsten van high-throughput screeningstudies te verbeteren. De auteurs wijzen op het belang van de ontwikkeling van databibliotheken als een van de meest kritische stappen bij de identificatie van potentiële kandidaat-geneesmiddelen en bij toekomstige toepassingen in de bio-engineering. Naast het wetenschappelijke aspect van de gedemonstreerde onderzoeken benadrukken de auteurs het belang van interdisciplinariteit in onderzoek.