Un enfoque prometedor para la ingeniería de estructuras vasculares se basa en el uso de biomateriales microestructurados que pueden ayudar a guiar la angiogénesis y que, como tales, han sido ampliamente estudiados en todo el mundo, en particular con vistas al tratamiento de enfermedades vasculares.

Recientemente, científicos del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia han resuelto con éxito un rompecabezas en la ingeniería de tejidos vasculares, proporcionando importantes pruebas experimentales para comprender y controlar la angiogénesis de los brotes in vitro. El estudio se publica en la revista APL Bioengineering. .

La angiogénesis es un proceso complejo que implica la formación de nuevos vasos sanguíneos a partir de los preexistentes mediante un proceso de división y brotación de vasos. La angiogénesis puede ocurrir en cualquier parte del cuerpo y es tan compleja que su control y/o imitación en un laboratorio se ha convertido en uno de los desafíos centrales de la bioingeniería.

La comprensión y el control completos de la formación de redes vasculares podrían ayudar a controlar una amplia gama de enfermedades, desde la regeneración de vasos sanguíneos dañados por un traumatismo hasta el tratamiento del cáncer metastásico, haciendo de la angiogénesis controlada el santo grial de la medicina regenerativa. P>

Siguiendo este ejemplo, investigadores del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias (ICP PAS) llevaron a cabo una serie de experimentos sobre la evolución de las redes capilares en crecimiento utilizando geles de fibrina como material similar a un tejido de soporte y establecieron posibles principios dinámicos generales. que gobierna la angiogénesis del brote.

Antes de esta innovadora investigación, el estudio de la evolución de las redes microvasculares que brotaban se basaba en gran medida en el análisis de un solo momento, o como máximo de varios, del cultivo. Aunque este enfoque fue suficiente para estimar las tendencias generales de crecimiento, nunca permitió descifrar las diferentes etapas de la evolución microvascular in vitro.

Para descubrir las posibles reglas que gobiernan la dinámica angiogénica, se han propuesto muchos y diversos enfoques teóricos en varios niveles de complejidad. Desafortunadamente, una comparación directa de las predicciones teóricas con los experimentos ha sido limitada debido a la escasez de datos experimentales resueltos en el tiempo, por lo que la mayoría de los estudios teóricos se basaron únicamente en una comparación cualitativa de las morfologías tardías.

Este enigma ha sido resuelto recientemente con nuevos experimentos y herramientas de análisis de imágenes automatizadas desarrolladas a medida por un equipo de investigadores del IPC PAS y sus colaboradores del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Varsovia. En su trabajo, los investigadores demostraron la posibilidad de extraer características topológicas estadísticamente detalladas de las redes microvasculares que están surgiendo.

Uno de los objetivos del proyecto era el desarrollo de pruebas de fármacos basadas en la angiogénesis más fiables y reproducibles, así como nuevas estrategias para la ingeniería de tejidos vasculares. ¿Cómo funciona?

Los investigadores aislaron redes microvasculares en crecimiento y monitorearon su crecimiento día a día durante 14 días en condiciones de cultivo bien controladas. Registraron una serie de parámetros morfométricos, como la longitud total de los brotes, su área, así como las distribuciones estadísticas de las longitudes de las ramas individuales o los ángulos de ramificación.

A partir de imágenes microscópicas recopiladas de múltiples experimentos paralelos, se realizó un análisis estadístico a gran escala. Al mismo tiempo, las observaciones se centraron en la dinámica de la formación de la red vascular para determinar los rasgos característicos de los procesos de crecimiento angiogénico. El objetivo era comprender la complejidad de las primeras etapas de la angiogénesis, que incluyen la formación de brotes y sus bifurcaciones seguidas de la formación de interconexiones, etc.

El Dr. Rojek, primer autor de este trabajo, dice:"Creemos que nuestro trabajo es único ya que construimos nuestro modelo de la formación y evolución de redes vasculares en crecimiento a partir de una gran cantidad de datos biológicos.

"Hasta ahora, la mayoría de las conclusiones y reglas han sido proporcionadas por modelos matemáticos, que son una herramienta muy poderosa pero que a menudo sufren de simplificaciones excesivas y no logran reproducir los sistemas biológicos reales. Esto subraya lo importante que es la estrecha colaboración entre experimentadores y teóricos".

Los autores desarrollaron nuevos protocolos de análisis de imágenes que les permitieron determinar los parámetros antes mencionados de forma automatizada.

"Nuestro software, escrito en el lenguaje de programación Python, está optimizado para el procesamiento de una gran cantidad de datos de múltiples experimentos. Proporciona una base sólida en términos de implementación y ofrece un tiempo de cálculo rápido.

"Los datos resueltos en el tiempo que abarcan toda la vida útil de las redes nos permitieron proponer reglas básicas que rigen el desarrollo topológico de las microvasculaturas en crecimiento", agrega Ph.D. candidato Antoni Wrzos y prof. Szymczak, quien dirigió el desarrollo del software de análisis de datos.

Los científicos realizaron estudios mediante el seguimiento diario de la evolución de las redes emergentes utilizando el lenguaje de programación Python para proporcionar detalles de la topología de las redes, incluidos los ángulos de ramificación y sus distribuciones. Los estudios presentados dieron como resultado una amplia biblioteca de datos sobre las etapas típicas de formación de redes.

En particular, esas etapas incluían (i) una etapa inactiva inicial cuando las células proliferaban sin formar brotes, (ii) una etapa de crecimiento rápido en la que los brotes se alargaban y ramificaban, y (iii) una etapa de maduración final en la que la tasa de crecimiento se desaceleraba. abajo. Los análisis también arrojaron datos sobre las diferencias de crecimiento en diferentes medios, lo que indica el impacto del factor de crecimiento endotelial vascular agregado en el comportamiento de las células cultivadas.

El efecto más importante de los medios "enriquecidos" fue la brotación más temprana y el aumento en el número de ramas, mientras que la tasa lineal de crecimiento de las ramas permaneció independiente del factor de crecimiento agregado. El análisis estadístico morfométrico realizado por investigadores del IPC PAS reveló además que los ángulos de ramificación fluctuaban alrededor de un valor medio que, sorprendentemente, se acercaba al valor "mágico" de 72 grados, característico de los llamados modelos de crecimiento laplacianos, estos últimos típicamente Se aplica para describir el crecimiento de cristales o la disolución de rocas fracturadas.

La analogía sugiere que, al igual que en los modelos laplacianos, las puntas de los brotes que avanzan pueden tender a seguir los gradientes locales de la concentración del factor de crecimiento.

"En conjunto, nuestros resultados, debido a su alta relevancia estadística, pueden servir, por ejemplo, como punto de referencia para modelos predictivos. Los estudios futuros podrían proporcionar una mejor comprensión de cómo las señales externas afectan la vascularización en biomateriales con semillas endoteliales incrustadas y ayudar a optimizar estrategias de reparación de tejidos, por ejemplo, mediante el diseño adecuado de los apósitos para heridas prevascularizados", comenta el Dr. Guzowski.

Como la angiogénesis es un proceso complejo que depende de muchos factores, en este trabajo los investigadores obtuvieron hallazgos que pueden ser útiles para comprender la angiogénesis in vitro, por ejemplo, durante los ensayos de pruebas de fármacos, así como en la ingeniería de tejidos. El trabajo presentado puede ser un paso hacia pruebas más rápidas y efectivas de nuevos medicamentos y el desarrollo de tratamientos médicos personalizados.

Según los análisis numéricos, los estudios propuestos tienen potencial para mejorar los resultados de los estudios de detección de alto rendimiento. Los autores señalan la importancia del desarrollo de bibliotecas de datos como uno de los pasos más críticos en la identificación de posibles fármacos candidatos, así como en futuras aplicaciones en bioingeniería. Además del aspecto científico de los estudios demostrados, los autores enfatizan la importancia de la interdisciplinariedad en la investigación.