Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Chemii Fizycznej PAN przeprowadzili badania łączące inżynierię tkankową naczyń krwionośnych z metodami obliczeniowymi. Pozwalają one na lepsze zrozumienie i kontrolowanie angiogenezy w warunkach laboratoryjnych.
Jak tworzą się nowe naczynia krwionośne? Które czynniki wpływają na ten proces, zwany angiogenezą, i czy można go kontrolować zewnętrznie? Znalezienie odpowiedzi na te pytania stanowi wyzwanie zarówno dla inżynierii tkankowej, jak i terapii przeciwnowotworowej, ponieważ guzy nowotworowe wykorzystują angiogenezę do wspomagania swojego wzrostu i rozprzestrzeniania się w organizmie. Proces ten jest kluczowy dla ich przetrwania i ekspansji – umożliwia bowiem dostarczanie niezbędnych składników odżywczych i tlenu oraz usuwanie produktów przemiany materii.
Angiogeneza jest złożonym procesem, w którym migracja komórek śródbłonka jest napędzana z jednej strony przez mechanizmy fizyczne, takie jak siły adhezji międzykomórkowej i interakcje z macierzą zewnątrzkomórkową, a z drugiej strony regulowana przez biologiczne ścieżki sygnałowe. Dlatego do jej zrozumienia potrzebna jest współpraca biologów i fizyków. Interdyscyplinarne podejście łączy wiedzę biologiczną o komórkach i molekułach z koncepcjami fizyki dotyczącymi zjawisk samoorganizacji, procesów wzrostu i transportu, co umożliwia lepsze zrozumienie i kontrolowanie angiogenezy.
Niestandardowy zestaw narzędzi
Taka współpraca została nawiązana pomiędzy naukowcami z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Przeprowadzili oni serię eksperymentów in vitro nad wczesnym wzrostem naczyń włosowatych, używając kulek pokrytych komórkami śródbłonka, umieszczonych w żelu fibrynowym. Taki układ eksperymentalny zapewnił precyzyjną kontrolę nad warunkami wzrostu, co umożliwiło uzyskanie bardziej wiarygodnych i powtarzalnych wyników.
Jednym z kluczowych czynników, który został zbadany, był wpływ naczyniowego czynnika wzrostu śródbłonka (VEGF), kluczowej cząsteczki dla tworzenia naczyń krwionośnych. Badanie wykazało, że wyższe stężenia VEGF prowadzą do wcześniejszego i bardziej rozgałęzionego wzrostu sieci – wyjaśnia prof. Piotr Szymczak z UW. – Ujawniono również ciekawe regularności w procesie tworzenia się rozgałęzień. Średni kąt pomiędzy odnogami sieci okazał się bliski 72°, co jest wartością obserwowaną także w innych sieciach transportowych w przyrodzie, takich jak sieci rzeczne, i świadczy o tym, że wzrost sieci jest regulowany przez proces dyfuzji – dodaje.
Aby wesprzeć swoje odkrycia, naukowcy opracowali niestandardowy zestaw narzędzi do analizy obrazów. Oprogramowanie to może mierzyć różne parametry sieci, takie jak całkowita długość, powierzchnia, długości segmentów i kąty rozgałęzień, oferując szybkie przetwarzanie obrazów. Ten zestaw narzędzi jest cenny dla przyszłych testów leków angiogennych, dostarczając szybszych i bardziej szczegółowych informacji na temat wpływu potencjalnych terapii na wzrost naczyń. Ponadto zrozumienie dynamiki wzrostu sieci naczyń krwionośnych pomoże w projektowaniu uprzednio unaczynionych konstruktów tkankowych, co może być ważne dla medycyny regeneracyjnej.
Rezultaty badań przeprowadzonych przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN oraz Uniwersytetu Warszawskiego zostały opublikowane w czasopiśmie APL Bioengineering.
źródło: UW