«Лучшее понимание процессов, регулирующих рост кровеносных сосудов, дает нам возможность в конечном итоге разработать новые методы лечения заболеваний, связанных с ростом кровеносных сосудов» и лучше понять метастазирование рака, – говорит профессор биоинженерии Джефф Вайс из отдела научных вычислений и исследований университета. Институт визуализации.
Вайс и Лоуэлл Эдгар, научный сотрудник по биоинженерии, опубликовали свое исследование в среду, январь. 22, в онлайн-журнале Публичной научной библиотеки PLOS ONE.
Как и некоторые предыдущие исследования, они показали, что крошечные кровеносные сосуды, называемые капиллярами, лучше всего растут, разветвляются и соединяются между собой, когда плотность окружающей ткани, называемая «внеклеточный матрикс», ниже, чем выше. Но в отличие от более ранних исследований, они использовали куски настоящих кровеносных сосудов крыс, а не отдельные клетки, и продолжили разработку точного, но упрощенного компьютерного моделирования процесса.
Более ранняя работа также была сосредоточена на том, как внеклеточный матрикс, состоящий в основном из коллагена, посылает химические сигналы, способствующие росту капилляров. В исследовании, проведенном в штате Юта, больше внимания уделялось тому, как механические или физические свойства коллагена – в частности, плотность или «жесткость» матрицы – влияют на рост кровеносных сосудов. И их лабораторные эксперименты, и компьютерное моделирование показали, что чем плотнее или жестче эта коллагеновая матрица, тем труднее кровеносным сосудам образовывать сеть, необходимую для снабжения кровью живых тканей. Это напрямую влияет на заживление или принятие новой ткани, имплантированной в тело.
После травмы или пересадки кожи в организме запускается «ангиогенез» – процесс создания организмом новых кровеносных сосудов из существующих.
«Когда люди создают замещающие ткани для использования в организме – например, искусственные или естественные связки и сухожилия – – одним из ограничений является их способность привлекать кровоснабжение организма», чтобы связать сосуды имплантата с сосудами тела, – говорит Вайс.
Сосуды в имплантированных тканях становятся длиннее, отрастают ветви, задействуют другие сосуды и создают сеть капилляров, которые доставляют богатую кислородом кровь для питания поврежденной или новой области. Однако набор на большие площади часто не удается, что препятствует заживлению или принятию новой имплантированной ткани.
Лучше понимая механическую роль, которую плотность окружающей ткани играет в формировании сосудов, биоинженеры могут подготовить имплантируемые ткани с «преваскуляризацией», уже оснащенные кровеносными сосудами, соответствующими структуре кровеносных сосудов пациента.
«Для успешного лечения вы должны создать кровеносные сосуды, соответствующие структуре кровеносных сосудов хозяина, иначе вы не сможете обеспечить надлежащую терапию», – говорит Эдгар.
Биоинженерные сосуды для имплантатов, диабета, сердечного приступа, рака
Новое исследование в конечном итоге направлено на создание замещающих тканей с их собственным кровоснабжением, которые можно было бы использовать для лечения различных заболеваний – вероятно, через пять, а то и через десять лет, говорит Вайс.
По словам Вайсса, лучше спроектированные ткани с капиллярами могут улучшить реконструкцию связок и сухожилий, помогая новым тканям соединяться с существующей сетью кровеносных сосудов.
Преваскуляризованные ткани также могут помочь пациентам с диабетом, страдающим от медленно заживающих ран из-за нарушения микроциркуляции крови.
Имплантированные кожные трансплантаты с собственными кровеносными сосудами могут стимулировать кровоток и способствовать заживлению диабетических язв.
Вайс предполагает, что участки с преваскуляризацией восстанавливают сердечную мышцу, которая повреждена, когда сердечный приступ прекращает поступление кислорода в сердце, превращая часть сердца в жесткую рубцовую ткань.
Пластырь, имплантированный на рубцовую ткань, может стимулировать рост кровеносных сосудов для восстановления поврежденной сердечной мышцы, лишенной кислорода.
«Если мы сможем реваскуляризовать поврежденную часть сердца, возможно, удастся восстановить его функцию», – говорит Вайс.
Что касается метастазов рака, большинство опухолей начинаются с плотных бескровных масс. Чтобы расти и распространяться, опухоль обманом заставляет организм подпитывать его кислородом кровеносных сосудов.
«Сосуды врастают и затем обеспечивают путь для распространения опухоли», – говорит Вайс. «Это исследование поможет нам понять физические параметры, которые контролируют, достигают ли кровеносные сосуды опухоли."
Выращивание кровеносных сосудов в желеобразных коллагеновых формах
Хотя это не первое исследование того, как формируются сети кровеносных капилляров, инженеры Университета Юты вырастили настоящие кровеносные сосуды в лаборатории и разработали трехмерное компьютерное моделирование этого процесса. Этот подход позволил исследователям подтвердить, что более плотный коллагеновый матрикс нарушает рост сосудов.
Чтобы вырастить сеть кровеносных сосудов, исследователи извлекли фрагменты кровеносных сосудов из жировых тканей крыс и поместили их в жидкость. Этот экстракт содержал 35000 таких фрагментов кровеносных сосудов на миллилитр (одну пятую чайную ложку) раствора.
Кусочки кровеносных сосудов выращивали в пластиковых пластинах с крошечными лунками, похожими на плесень, заполненными гелеобразным коллагеном в качестве внеклеточного матрикса, напоминающего Jell-O. Коллаген является основным компонентом соединительной ткани и настоящего внеклеточного матрикса, и его плотность различается по всему телу. Скважин было 0.6 дюймов в ширину и 0.1 дюйм глубиной.
Исследователи культивировали фрагменты кровеносных сосудов крысы в течение шести дней в лунках с тремя плотностями коллагена: 2, 3 и 4 миллиграмма коллагена на миллилитр раствора.
Сосуды в коллагене с более низкой плотностью росли и разветвлялись больше, имели меньше тупиков и взаимосвязаны друг с другом лучше, чем сосуды, растущие в коллагене с более высокой плотностью. Эти сети кровеносных сосудов отражают те, что встречаются у живых млекопитающих.
Моделирование и прогнозирование роста сосудов с помощью компьютера
Сосуды, выращенные в лаборатории, предоставили данные об общей длине сосудов, степени их соединения в сеть или сосуды, а также о количестве ответвлений и тупиков сосудов. Эти данные позволяют им программировать трехмерное компьютерное моделирование, которое точно предсказывает формирование сети кровеносных сосудов на основе плотности коллагенового матрикса.
«Теперь мы можем ответить на всевозможные вопросы типа« а что, если »о геометрии этих тканей, их форме, границах, начальной плотности и механических свойствах», – говорит Вайс. «Мы можем использовать компьютер, чтобы предсказать влияние этих факторов на структуру сосудистой сети."
Точность трехмерного компьютерного моделирования также позволила исследователям смоделировать эксперименты, которые невозможно было провести в лаборатории. Одно моделирование показало, что кровеносные сосуды легко растут от более плотного к менее плотному коллагену, но не наоборот.
Второй показал, что сосуды разрастаются в коллагене, за исключением того места, где плотный кусок коллагена был помещен в центр менее плотного коллагена. Третье моделирование показало, что когда исследователи моделировали две полосы менее плотного коллагена, окруженные полосами более жесткого коллагена, нервные сосуды росли вдоль полос более низкой плотности.