Novas evidências experimentais desvendam um quebra-cabeça na engenharia de tecidos vasculares
Os vasos sanguíneos podem formar estruturas complexas em forma de rede e cada estrutura é única. A foto metafórica é cortesia do parque de trampolins AIRO. Crédito da imagem:Grzegorz Krzyzewski. Crédito:Fonte:IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski A angiogênese é um processo de formação de redes vasculares hierárquicas em tecidos vivos. Sua complexidade torna a geração controlada de vasos sanguíneos em condições laboratoriais uma tarefa altamente desafiadora.
Uma abordagem promissora para a engenharia de estruturas vasculares baseia-se na utilização de biomateriais microestruturados que podem ajudar a orientar a angiogénese e que, como tal, têm sido extensivamente estudados em todo o mundo - em particular tendo em vista o tratamento de doenças vasculares.
Recentemente, cientistas do Instituto de Físico-Química da Academia Polaca de Ciências conseguiram desvendar um puzzle na engenharia de tecidos vasculares, fornecendo importantes evidências experimentais para a compreensão e controlo do surgimento da angiogénese in vitro. O estudo foi publicado na revista APL Bioengineering .
A angiogênese é um processo complexo que envolve a formação de novos vasos sanguíneos a partir dos pré-existentes por meio de um processo de divisão e brotamento de vasos. A angiogênese pode ocorrer em qualquer parte do corpo e é tão complexa que seu controle e/ou mimetização em laboratório tornou-se um dos desafios centrais da bioengenharia.
A plena compreensão e controlo da formação de redes vasculares poderia ajudar a gerir uma vasta gama de doenças, desde a regeneração de vasos sanguíneos que foram danificados por trauma até ao tratamento do cancro metastático, tornando a angiogénese controlada um santo graal da medicina regenerativa.
Seguindo esse exemplo, pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências (ICP PAS) conduziram uma série de experimentos sobre a evolução das redes capilares emergentes usando géis de fibrina como material de suporte semelhante a tecido e estabeleceram possíveis princípios dinâmicos gerais. governando o surgimento da angiogênese.
Antes desta pesquisa inovadora, o estudo da evolução das redes microvasculares emergentes baseava-se em grande parte na análise de um único ou, no máximo, vários pontos de tempo na cultura. Embora esta abordagem tenha sido suficiente para estimar as tendências globais de crescimento, nunca permitiu decifrar os diferentes estágios da evolução microvascular in vitro.
Para descobrir as possíveis regras que regem a dinâmica angiogénica, foram propostas muitas e diversas abordagens teóricas em vários níveis de complexidade. Infelizmente, uma comparação direta das previsões teóricas com os experimentos foi limitada devido à escassez de dados experimentais resolvidos no tempo, portanto, a maioria dos estudos teóricos baseou-se apenas em uma comparação qualitativa das morfologias tardias.
Este quebra-cabeça foi recentemente resolvido com novos experimentos e ferramentas automatizadas de análise de imagens desenvolvidas sob medida por uma equipe de pesquisadores do IPC PAS e seus colaboradores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Varsóvia. Em seu trabalho, os pesquisadores demonstraram a possibilidade de extrair características estatísticas-topológicas detalhadas de redes microvasculares emergentes.
Um dos objetivos do projeto era o desenvolvimento de ensaios de testes de drogas baseados em angiogênese mais confiáveis e reprodutíveis, bem como novas estratégias para engenharia de tecidos vasculares. Como funciona?
Os pesquisadores isolaram redes microvasculares emergentes e monitoraram seu crescimento diariamente durante 14 dias sob condições de cultura bem controladas. Eles registraram uma série de parâmetros morfométricos, como o comprimento total dos brotos, sua área, bem como as distribuições estatísticas dos comprimentos dos ramos individuais ou dos ângulos de ramificação.
Com base em imagens microscópicas coletadas de vários experimentos paralelos, foi realizada análise estatística em larga escala. Ao mesmo tempo, as observações focaram-se na dinâmica da formação da rede vascular para determinar os traços característicos dos processos de crescimento angiogênico. O objetivo era compreender a complexidade dos estágios iniciais da angiogênese que incluem a formação de brotos e suas bifurcações seguidas pela formação de interconexões, etc.
Rojek, o primeiro autor deste trabalho, diz:“Acreditamos que nosso trabalho é único, pois construímos nosso modelo de formação e evolução de redes vasculares emergentes com base em uma grande quantidade de dados biológicos.
"Até agora, a maioria das conclusões e regras foram fornecidas pela modelagem matemática, que é uma ferramenta muito poderosa, mas muitas vezes sofre de simplificações excessivas e não consegue reproduzir os sistemas biológicos reais. Isto sublinha a importância da estreita colaboração entre experimentalistas e teóricos."
Os autores desenvolveram novos protocolos de análise de imagens que permitiram determinar os parâmetros acima mencionados de forma automatizada.
"Nosso software, escrito em linguagem de programação Python, é otimizado para o processamento de uma grande quantidade de dados de múltiplos experimentos. Ele fornece uma base sólida em termos de implementação e oferece tempo de computação rápido.
"Os dados resolvidos no tempo, abrangendo toda a vida útil das redes, permitiram-nos propor regras básicas que regem o desenvolvimento topológico das microvasculaturas emergentes", acrescenta o Ph.D. candidato Antoni Wrzos e prof. Szymczak, que liderou o desenvolvimento do software de análise de dados.
Os cientistas realizaram estudos através do acompanhamento diário da evolução das redes emergentes com o uso da linguagem de programação Python para fornecer os detalhes da topologia das redes, incluindo os ângulos de ramificação e suas distribuições. Os estudos apresentados resultaram em uma ampla biblioteca de dados sobre os estágios típicos de formação de redes.
Em particular, esses estágios incluíam (i) um estágio inicial inativo, quando as células proliferavam sem formar brotos, (ii) um estágio de crescimento rápido, no qual os brotos se alongavam e se ramificavam, e (iii) um estágio final de maturação, no qual a taxa de crescimento desacelerou. abaixo. As análises também forneceram dados sobre as diferenças de crescimento em diferentes meios, indicando o impacto do fator de crescimento endotelial vascular adicionado no comportamento das células cultivadas.
O efeito mais importante do meio "enriquecido" foi a brotação mais precoce e o aumento no número de ramos, enquanto a taxa linear de crescimento dos ramos permaneceu independente do fator de crescimento adicionado. A análise estatística morfométrica realizada pelos investigadores do IPC PAS revelou adicionalmente que os ângulos de ramificação flutuavam em torno de um valor médio que, surpreendentemente, parecia próximo do valor "mágico" de 72 graus característico dos chamados modelos de crescimento laplacianos, estes últimos tipicamente aplicado para descrever o crescimento de cristais ou a dissolução de rochas fraturadas.
A analogia sugere que – tal como nos modelos Laplacianos – o avanço das pontas dos rebentos pode tender a seguir os gradientes locais da concentração do factor de crescimento.
"Coletivamente, nossos resultados, devido à sua alta relevância estatística, podem servir, por exemplo, como referência para modelos preditivos. Estudos futuros poderiam fornecer uma melhor compreensão de como os estímulos externos afetam a vascularização em biomateriais com sementes endoteliais incorporadas e ajudar a otimizar estratégias de reparo tecidual, por exemplo, por meio do desenho adequado dos curativos pré-vascularizados", comenta o Dr. Guzowski.
Como a angiogênese é um processo complexo que depende de muitos fatores, neste trabalho os pesquisadores apresentaram descobertas que podem ser úteis na compreensão da angiogênese in vitro, por exemplo, durante os ensaios de testes de drogas, bem como na engenharia de tecidos. O trabalho apresentado pode ser um passo para testes mais rápidos e eficazes de novos medicamentos e para o desenvolvimento de tratamentos médicos personalizados.
Com base nas análises numéricas, os estudos propostos têm potencial para melhorar os resultados dos estudos de triagem de alto rendimento. Os autores apontam a importância do desenvolvimento de bibliotecas de dados como uma das etapas mais críticas na identificação de potenciais candidatos a medicamentos, bem como em futuras aplicações em bioengenharia. Além do aspecto científico dos estudos demonstrados, os autores enfatizam a importância da interdisciplinaridade nas pesquisas.
