Prognozowanie regeneracji tkanek układu sercowo-naczyniowego
Choroby sercowo-naczyniowe pozostają jedną z głównych przyczyn zgonów na świecie, co powoduje pilną potrzebę wdrożenia terapii, które nie tylko łagodzą objawy, ale przede wszystkim naprawiają uszkodzone tkanki. Chociaż inżynieryjne zamienniki naczyń krwionośnych i zastawek serca są obiecującym rozwiązaniem, próba odtworzenia złożonej struktury i funkcji natywnych tkanek stawia przed badaczami wiele wyzwań.
Zrozumienie procesu regeneracji tkanki
Aby zaradzić temu ograniczeniu, w ramach finansowanego przez ERBN projektu MechanoSignaling zbadano, w jaki sposób siły mechaniczne oddziałują ze szlakami komunikacji komórkowej, ukierunkowując regenerację tkanek. Zespół projektu koncentrował się na szlaku sygnałowym Notch(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – krytycznym regulatorze rozwoju układu sercowo-naczyniowego i przebudowy tkanek. Sygnalizacja Notch kontroluje sposób, w jaki komórki komunikują się i organizują, wpływając na kluczowe procesy biologiczne. Badacze postawili hipotezę, że zrozumienie, w jaki sposób siły mechaniczne wpływają na sygnalizację Notch, może dostarczyć potężnych narzędzi do kontrolowania regeneracji w zmodyfikowanych tkankach. Komórki układu sercowo-naczyniowego są stale narażone na siły hemodynamiczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) generowane przez ciśnienie i przepływ krwi, co sprawia, że interakcja między biomechaniką a szlakami sygnalizacyjnymi jest szczególnie ważna. „Czynniki mechaniczne silnie wpływają na zachowanie komórek wewnątrz tkanek układu sercowo-naczyniowego. Zrozumienie, w jaki sposób siły te regulują sygnalizację Notch, pomoże nam zaprojektować terapie regeneracyjne”, wyjaśnia główna badaczka projektu Sandra Loerakker.
Modele predykcyjne adaptacji układu sercowo-naczyniowego
Badacze połączyli eksperymenty laboratoryjne z zaawansowanym modelowaniem obliczeniowym(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Komórki poddano różnym stopniom deformacji mechanicznej w celu określenia, w jaki sposób zmiany sił wpływają na dynamikę sygnalizacji, organizację komórkową i produkcję białek. Zespół manipulował również bezpośrednio aktywnością szlaku Notch, aby ustalić związki przyczynowe między sygnalizacją a zachowaniem tkanek. Oprócz prac eksperymentalnych, konsorcjum opracowało ramy obliczeniowe do symulacji interakcji Notch między komórkami, po to aby powiązać te procesy z mechaniką tkanek. Jeden z pierwszych powstałych modeli(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opisywał, w jaki sposób sygnalizacja Notch działa w oddziałujących ze sobą komórkach. Symulacje wykazały, że organizacja komórek może mieć ograniczony wpływ na wyniki sygnalizacji, gdy określone białka dominują w dynamice komunikacji. Badacze połączyli następnie te modele sygnalizacyjne z biomechanicznymi modelami naczyń krwionośnych, aby zbadać, w jaki sposób ciśnienie krwi reguluje sygnalizację komórkową, a tym samym napędza adaptację tkanek. Wykorzystując nowe narzędzia, wykazali oni, w jaki sposób stany takie jak nadciśnienie mogą zmieniać sygnalizację Notch i przyczyniać się do strukturalnej adaptacji naczyń krwionośnych. Następnie badacze opracowali pierwsze wieloskalowe modele obliczeniowe łączące subkomórkowe interakcje Notch(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z adaptacją układu sercowo-naczyniowego w skali tkankowej. Dają one możliwość zrozumienia, w jaki sposób lokalne zdarzenia komórkowe napędzają powstawanie funkcjonalnych struktur tkankowych. Zespół opracował również modele obliczeniowe dla zastawek serca, których tkanki zmodyfikowano metodami inżynieryjnymi, co pozwoliło oszacować lokalne naprężenia mechaniczne i przeanalizować, w jaki sposób te czynniki wpływają na tworzenie się tkanek. „Modelowanie obliczeniowe pozwala nam analizować mechanizmy, które są niezwykle trudne do zbadania metodami doświadczalnymi i pomaga znacznie skuteczniej identyfikować najbardziej obiecujące strategie regeneracyjne”, podkreśla Loerakker.
Przyszłość medycyny regeneracyjnej na wyciągnięcie ręki
Ujawniając, w jaki sposób siły mechaniczne i sygnalizacja komórkowa współpracują w procesie regeneracji, zespół projektu MechanoSignaling stworzył podstawy naukowe dla nowej generacji inżynieryjnych terapii sercowo-naczyniowych. Badacze chcą teraz ustalić, w jaki sposób syntetyczne biomateriały przekształcają się w żywe tkanki. Mówiąc dokładniej, zamierzają uwzględnić zachowanie komórek odpornościowych w przyszłych modelach, odzwierciedlając ich kluczową rolę w regeneracji opartej na biomateriałach. Projekt podkreśla rosnące znaczenie predykcyjnych modeli obliczeniowych w medycynie regeneracyjnej, pomagając zidentyfikować solidne strategie terapeutyczne i wspierać stratyfikację pacjentów.