Angiogenes är en process för att bilda hierarkiska kärlnätverk i levande vävnader. Dess komplexitet gör den kontrollerade genereringen av blodkärl under laboratorieförhållanden till en mycket utmanande uppgift.

Ett lovande tillvägagångssätt för konstruktion av vaskulära strukturer bygger på användningen av mikrostrukturerade biomaterial som kan hjälpa till att styra angiogenes och som, som sådana, har studerats omfattande över hela världen – särskilt med tanke på behandlingen av vaskulära sjukdomar.

Nyligen har forskare vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin framgångsrikt låst upp ett pussel inom vaskulär vävnadsteknik, vilket ger viktiga experimentella bevis för att förstå och kontrollera den spirande angiogenesen in vitro. Studien är publicerad i tidskriften APL Bioengineering .

Angiogenes är en komplex process som involverar bildandet av nya blodkärl från de redan existerande via en process av kärldelning och groning. Angiogenes kan förekomma i vilken del av kroppen som helst och är så komplex att dess kontroll och/eller efterlikning i laboratoriemiljö har blivit en av de centrala utmaningarna för bioteknik.

Full förståelse och kontroll av bildandet av kärlnätverk kan hjälpa till att hantera ett brett spektrum av sjukdomar, allt från regenerering av blodkärl som har skadats av trauma till behandling av metastaserande cancer, vilket gör kontrollerad angiogenes till en helig gral för regenerativ medicin.

Efter denna ledning genomförde forskare vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (ICP PAS) en serie experiment om utvecklingen av de spirande kapillärnätverken med fibringel som stödjande vävnadsliknande material och etablerade möjliga allmänna dynamiska principer styr den spirande angiogenesen.

Före denna genombrottsforskning har studiet av utvecklingen av de spirande mikrovaskulära nätverken till stor del baserats på analys av en enda, eller högst flera tidpunkter i kulturen. Även om detta tillvägagångssätt var tillräckligt för att uppskatta de övergripande tillväxttrenderna, tillät det aldrig att dechiffrera de olika stadierna av den mikrovaskulära utvecklingen in vitro.

För att avslöja de möjliga reglerna som styr den angiogena dynamiken har många och olika teoretiska tillvägagångssätt på olika nivåer av komplexitet föreslagits. Tyvärr har en direkt jämförelse av de teoretiska förutsägelserna med experimenten begränsats på grund av bristen på tidsupplösta experimentella data, därför förlitade sig de flesta teoretiska studier endast på en kvalitativ jämförelse av morfologierna i sena tider.

Detta pussel har nyligen lösts med nya experiment och specialutvecklade automatiserade bildanalysverktyg av ett team av forskare från IPC PAS och deras medarbetare från Institutet för teoretisk fysik vid University of Warszawa. I sitt arbete demonstrerade forskarna möjligheten att extrahera detaljerade statistiska-topologiska egenskaper hos spirande mikrovaskulära nätverk.

Ett av målen med projektet var utvecklingen av mer tillförlitliga och reproducerbara angiogenesbaserade läkemedelstestanalyser samt nya strategier för vaskulär vävnadsteknik. Hur fungerar det?

Forskare isolerade spirande mikrovaskulära nätverk och övervakade deras tillväxt dag för dag i 14 dagar under välkontrollerade odlingsförhållanden. De registrerade en rad morfometriska parametrar såsom groddarnas totala längd, deras yta, såväl som de statistiska fördelningarna av längderna på enskilda grenar eller förgreningsvinklarna.

Baserat på mikroskopiska bilder insamlade från flera parallella experiment utfördes storskalig statistisk analys. Samtidigt fokuserades observationerna på dynamiken i den vaskulära nätverksbildningen för att bestämma de karakteristiska egenskaperna hos de angiogena tillväxtprocesserna. Målet var att förstå komplexiteten i de tidiga stadierna av angiogenes som inkluderar bildandet av groddar och deras bifurkationer följt av bildandet av sammankopplingar etc.

Dr. Rojek, den första författaren till detta arbete säger, "Vi tror att vårt arbete är unikt eftersom vi bygger vår modell för bildandet och utvecklingen av spirande vaskulära nätverk på stora mängder biologiska data.

"Hittills har de flesta slutsatser och regler tillhandahållits av matematisk modellering, som är ett mycket kraftfullt verktyg men ofta lider av alltför förenklingar och misslyckas med att reproducera de faktiska biologiska systemen. Detta understryker hur viktigt det nära samarbetet är mellan experimentalister och teoretiker."

Författarna utvecklade nya bildanalysprotokoll som gjorde det möjligt för dem att bestämma de ovan nämnda parametrarna på ett automatiserat sätt.

"Vår programvara, skriven i programmeringsspråket Python, är optimerad för bearbetning av en stor mängd data från flera experiment. Den ger en solid bakgrund vad gäller implementering och ger snabb beräkningstid.

"Den tidsupplösta data som sträcker sig över nätverkens hela livslängd gjorde det möjligt för oss att föreslå grundläggande regler som styr den topologiska utvecklingen av de spirande mikrovaskulaturerna", tillägger Ph.D. kandidat Antoni Wrzos och prof. Szymczak som ledde utvecklingen av programvaran för dataanalys.

Forskare utförde studier via dag-för-dag-spårning av utvecklingen av spirande nätverk med användning av Python-programmeringsspråket för att leverera detaljerna om topologin för nätverken inklusive förgreningsvinklarna och deras distributioner. Presenterade studier resulterade i ett brett databibliotek om de typiska nätverksbildningsstadierna.

I synnerhet inkluderade dessa stadier (i) ett initialt inaktivt stadium när cellerna förökade sig utan att bilda groddar, (ii) ett snabbt tillväxtstadium där groddar förlängdes och förgrenade sig och (iii) ett sista mognadsstadium där tillväxthastigheten avtog ner. Analyser gav också data om tillväxtskillnaderna i olika medier, vilket indikerar effekten av den tillsatta vaskulära endotelial tillväxtfaktorn på beteendet hos odlade celler.

Den viktigaste effekten av det "berikade" mediet var den tidigare groningen och ökningen av antalet grenar, medan den linjära tillväxthastigheten för grenar förblev oberoende av den adderade tillväxtfaktorn. Den statistiska morfometriska analysen utförd av forskare från IPC PAS avslöjade dessutom att förgreningsvinklarna fluktuerade runt ett medelvärde som, ganska överraskande, verkade nära det "magiska" värdet på 72 grader som är karakteristiskt för de så kallade Laplacian tillväxtmodellerna, de senare typiskt tillämpas för att beskriva tillväxt av kristaller eller upplösning av spruckna stenar.

Analogin tyder på att – precis som i de laplaciska modellerna – kan groddarnas framskridande spetsar tendera att följa de lokala gradienterna för tillväxtfaktorkoncentrationen.

"Tillsammans kan våra resultat, på grund av deras höga statistiska relevans, fungera t.ex. som ett riktmärke för prediktiva modeller. Framtida studier skulle potentiellt kunna ge bättre förståelse för hur de externa signalerna påverkar vaskularisering i biomaterial med inbäddade endotelfrön och hjälpa till att optimera vävnadsreparationsstrategier, t.ex. via korrekt utformning av de prevaskulariserade sårförbanden", säger Dr. Guzowski.

Eftersom angiogenesen är en komplex process som beror på många faktorer, har forskare i detta arbete levererat resultat som kan vara användbara för förståelsen av angiogenes in vitro, t.ex. under läkemedelstestningsanalyser såväl som inom vävnadsteknik. Det presenterade arbetet kan vara ett steg mot snabbare och effektivare testning av nya läkemedel och utveckling av personliga medicinska behandlingar.

Baserat på de numeriska analyserna har föreslagna studier en potential för att förbättra resultaten av screeningstudier med hög genomströmning. Författarna pekar på vikten av utvecklingen av databibliotek som ett av de mest kritiska stegen i identifieringen av potentiella läkemedelskandidater såväl som i framtida tillämpningar inom bioteknik. Förutom den vetenskapliga aspekten av de demonstrerade studierna betonar författarna vikten av tvärvetenskaplig forskning.

Mer information: Katarzyna O. Rojek et al, Långsiktig dag-för-dag-spårning av mikrovaskulära nätverk som gror i fibringeler:Från detaljerade morfologiska analyser till allmänna tillväxtregler, APL Bioengineering (2024). DOI:10.1063/5.0180703

Journalinformation: APL Bioengineering

Tillhandahålls av polska vetenskapsakademin