Datamaskin-simulering av blodkarvekst


University of Utah bioingeniører vist at små blodkar vokser bedre i laboratoriet hvis vevet som omgir dem er mindre tett. Deretter skapte forskerne en datasimulering for å forutsi at veksten nøyaktig - et første skritt mot behandling for å gi blodtilførselen til vev skadet av diabetes og hjerteinfarkt og hud grafts og implanterte leddbånd og sener.

"En bedre forståelse av prosessene som regulerer vekst av blodkar setter oss i en endelig stilling, for å utvikle nye behandlingsmetoder for sykdommer relatert til vekst av blodkar", og for å bedre forstå kreft metastase, sier bioteknologi professor Jeff Weiss av 'universiteter Scientific Computing og Imaging Institute.

Weiss og Lowell Edgar, en postdoktor i bioteknologi, har publisert sin studie onsdag 22 januar, i Public Library of Science elektronisk journal PLoS One.



Som tidligere studier har vist at små blodkar kalt kapillarer vokse, grenen og sammenkoblings bedre når tettheten av det omgivende vev - kalt "ekstracellulær matriks" - er lavere ganske høy. Men i motsetning til tidligere forskning, brukte de biter av ekte blodårer fra rotter snarere enn enkeltceller, og har fortsatt å utvikle en nøyaktig simulering av prosessen hvis forenklet datamaskin.

Tidligere arbeid har også fokusert på hvordan den ekstracellulære matrise, som hovedsakelig består av kollagen, sender kjemiske signaler å fremme kapillær vekst. Studien Utah konsentreres mer på hvordan de mekaniske og fysiske egenskaper av kollagen - spesielt tettheten eller "stivhet" av matrisen - innvirke på veksten av blodårer. Begge sine laboratorieforsøk og har datamaskinsimuleringer vist at tettere eller mer rigid dette kollagen matriks, jo vanskeligere er det for blodkarene for å danne et nettverk som er nødvendig for tilførsel av blod til det levende vev. Dette påvirker direkte healing eller å akseptere det nye vevet implantert i kroppen.

Etter skade eller mottar en hud pode, utløser kroppen "angiogenese" - prosessen av kroppen til å lage nye blodkar fra eksisterende.

"Når folk ingeniør erstatning vev for bruk i kroppen - leddbånd og sener, kunstig eller naturlig, for eksempel - en begrensning er deres evne til å ta en blodtilførsel fra kroppen" for å koble karene i implantatet med kroppen, Weiss sier.

Skip i vev implantert strekning, grener spire, rekruttere andre skip og skape et nettverk av kapillærer som frakter oksygenrikt blod til å ernære det skadede området eller ny. Men tar store områder ofte svikter, hindrer helbredelse eller aksept av nytt vev implantert.

For en bedre forståelse av rollen til mekanisk tetthet av de omkringliggende vev spill i fartøyet dannelse, kunne bioingeniører forberede "prevascularized" tissue implanterbare allerede er utstyrt med blodkar som tilsvarer strukturen blodkar hos en pasient.

"For å lykkes med behandlingen, må du opprette blodkar som tilsvarer strukturen av blodkar vert, ellers kan du ikke gi riktig behandling", sier Edgar.

Skip for bioteknologi systemer, diabetes, hjerteinfarkt, kreft

Den nye studien i den endelige analysen, til formålet med utskifting tissue engineering med sin egen blodtilførsel som kunne brukes behandle en rekke sykdommer - sannsynligvis minst fem og mest trolig 10 år fra nå, sier Weiss.

Bedre-konstruert vev med kapillærer kan forbedre gjenoppbygging av leddbånd og sener for å hjelpe nye vevet som forbinder det eksisterende nettverk av blodårer, sier Weiss.

Stoffer Prevascularized kan også hjelpe pasienter med diabetes som lider sår som leges sakte - hvis i det hele tatt - på grunn av svekket blod mikrosirkulasjon. Hudtransplantasjoner implantert med sine blodårer kan stimulere blodtilførselen til fremme helbredelse av diabetiske sår.

Weiss gir prevascularized patch rehabilitering hjertemuskelen som er skadet, når et hjerteinfarkt kutte en del av oksygentilførselen til hjertet, transformerer en del av hjertet i hardt arrvev. En oppdatering av vev implantert på arrvev kan fremme gjenvekst av blodkar for å reparere skadet hjertemuskelen oksygen privat.

"Hvis vi kan revascularize den skadede delen av hjertet, kan det være mulig å gjenopprette dens funksjon", sier Weiss.

Når det gjelder metastase av kreft, flertallet av tumorer begynne så tette masser uten blod. Å vokse og spre seg, triksene av svulst i kroppen med blodårer som forsyner oksygen.

"Skipene vokse og deretter gi en bane for kreften å spre", sier Weiss. "Denne forskningen vil hjelpe oss til å forstå de fysiske parametere som styrer hvis blodårene nå svulsten."

Vokse blodkar i Jell-O-lignende kollagen dør

Selv om dette ikke er den første studien av hvordan nettverk av blodkapillærer dannes, University of Utah ingeniører unikt vokste reelle blodkar i laboratoriet og har utviklet en datasimulering av 3-D-prosessen. Denne tilnærmingen tillot forskerne å bekrefte at en tett kollagen matrise kompromittert vekst fartøy.

Å dyrke et nettverk av blodårer, forskere ekstrahert fragmenter av blodårer ved å fettvev fra rotter, og suspendert i en væske. Dette ekstrakt inneholdt 35.000 av disse fragmenter av blodkar per milliliter (en femte teskje) av løsningen.

Bitene av blodårene ble dyrket i plastplater med små groper fylt med gel-lignende mold som kollagen ekstracellulære matrise, som minner om Jell-O. Kollagen er en hovedkomponent av bindevev og ekstracellulær matriks fast, og er plassert i ulik tetthet i hele kroppen. Brønnene var 0,6 cm bred og 0,1 inches dyp.

Forskerne dyrket fragmenter av blodkar rotter i seks dager i brønnene med tre tettheter av kollagen: 2, 3 og 4 mg av kollagen pr milliliter oppløsning. Skip i collagen med lav densitet har vokst og forgrenet seg mer, hadde færre døde ender og er sammenkoplet med hverandre bedre enn de fartøyer som vokser i den høyere tetthet av kollagen. Disse nettverkene av blodkar reflekterte de som finnes i levende pattedyr.

Simulering og Casting fartøy vekst med en datamaskin

Fartøyene dyrket i laboratoriet har levert data på den totale lengden av skipene, deres stand til å koble til et nettverk eller skip, og antall skip grener og døde ender. Disse data forlatt dem en datamaskinsimuleringsprogram for 3-D, som har nøyaktig forutsagt dannelse av nettverket av blodårer basert på tettheten matriks av kollagen.

"Nå er vi i stand til å svare på alle slags" hva hvis "spørsmål om geometrien av disse vev, deres form, grensene, den opprinnelige gravitasjon og mekaniske egenskaper", sier Weiss. "Vi kan bruke datamaskiner til å forutsi påvirkning av disse faktorene i utformingen av en struktur av den vaskulære nettverket."

Nøyaktigheten av 3-D datasimulering også lov forskerne å simulere forsøk som ikke kunne gjøres i laboratoriet. En simulering viste blodkar vokser lett fra de tett til minst tette kollagen, men ikke omvendt. En andre demonstrert som vokste i potter kollagen, hvis et tykt stykke av kollagen ble plassert i sentrum av mindre tetthet kollagen. Den tredje simuleringen viste at når forskerne simulerte to band på mindre tett kollagen omgitt av band av stiv kollagen, vokste nerve fartøyer langs band av lavere tetthet.

4

Kommentarer - 0

Ingen kommentarer

Legg en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn igjen: 3000
captcha