شبیه سازی رشد عروق خونی با مدلهای کامیپوتری

 مهندسین پزشکی دانشگاه Utahنشان دادند رشد عروق خونی کوچک در آزمایشگاه درصورتیکه تراکم بافت اطراف کمتر باشد، بهتر انجام می شود. سپس محققین یک مدل کامیپوتری شبیه سازی شده ابداع نمودند تا به پیش بینی دقیق چنین رشدی بپردازند، در حقیقت مرحله ی اولیه ی درمان و تأمین خون برای بافتی که بر اثر بیماری دیابت یا حمله ی قلبی تخریب شده است یا برای گرافت های پوستی یا رباطها و تاندونهای پیوندشده که نیاز به خون برای ترمیم خود دارند.

پرفسور Weissاستاد مهندسی زیستی از انستیتو تصویربرداری و محاسبات علمی دانشگاه Utahمی گوید: درک بهتر فرآیندهایی که رشد عروق خونی را کنترل می کنند نهایتاً ما را به ابداع روشهای جدید برای درمان بیماریهای مرتبط با رشد عروق خونی و درک بهتر نحوه ی متاستازسرطان رهنمون خواهند کرد.

پرفسور Weissو دانشجوی پست دکترای او Lowell Edgarنتایج این مطالعه را بصورت آنلاین درمجله ی PLOS ONEارائه دادند.

مانند برخی از مطالعات پیشین، آنها نشان دادند که عروق خونی کوچک یا مویرگ ها هنگامیکه تراکم بافت اطراف آنها که به آن ماتریکس خارج سلولی می گویند، کمتر باشد بهتر رشد کرده، شاخه دار می شوند و با هم ارتباط می یابند.

اما بر خلاف تحقیقات قبلی، آنها از قطعاتی از عروق خونی واقعی گرفته شده از موشهای صحرایی به جای سلولهای واحد استفاده کردند و در ادامه با شبیه سازی کامیپوتری به بررسی دقیق نحوه ی تشکیل و گسترش مویرگ ها پرداختند.

در تحقیقات پیشین، بیشتر بروی چگونگی ارسال پیام های شیمیایی توسط ماتریکس خارج سلولی (بیشتر آن از کلاژن ساخته شده است) برای تحریک رشد مویرگ ها تمرکز شده بود، در این مطالعه دانشمندان بروی خواص مکانیکی یا فیزیکی کلاژن بخصوص تراکم یا سختی ماتریکس و تأثیر آن بر رشد عروق خونی کار کردند. نتایج بدست آمده از آزمایشات و شبیه سازی کامیپوتری نشان داد که هر چه ماترکس کلاژنی متراکم تر و سخت تر باشد تشکیل یک شبکه از رگهای خونی برای تأمین خون مورد نیاز برای بافت زنده مشکل تر است. این موضوع مستقیماً بروی ترمیم یا پذیرش بافت جدید در بدن تأثیر می گذارد.

پس از آسیب یا دریافت پیوند پوست، بدن شروع به رگزایی "angiogenesis"می کند  فرآیندی که در آن عروق خونی جدید ازعروق موجود ساخته می شود.

پرفسور Weissمی گوید: هنگامیکه بافت های جایگزین مانند تاندونها و رباط های طبیعی یا مصنوعی به بدن فرد پیوند زده می شوند یکی از محدودیت های پیوند عدم توانایی بافت پیوندی در استفاده از منابع خونی بدن و اتصال قطعه ی پیوند زده شده به عروق خونی بدن است.

عروق خونی بافت های پیوند زده شده طویل شده، شاخه هایی تولید می کنند و با سایر عروق  ارتباط می یابند و یک شبکه ی مویرگی جدید برای تحویل خون غنی از اکسیژن به منظور تغذیه ی منطقه ی آسیب دیده یا پیوند زده شده ، ایجاد می کنند. اما رگزایی واتصال به رگهای خونی بدن برای قسمت های آسیب دیده ی بزرگ غالباً با شکست مواجه می شود و به همین علت از ترمیم بافت یا پذیرش ناحیه ی جدید پیوندی جلوگیری می شود.

 با درک بهتر نقش تراکم بافت های اطراف محل پیوند درتولید عروق خونی، مهندسین زیستی می توانند تشکیل عروق خونی را در بافت های پیوندی قبل از پیوند تحریک کرده و بافتی مجهز و دارای عروق  را که با ساختمان عروق خونی طبیعی بیمار مطابقت داشته باشد، تولید کنند، به این ترتیب موفقیت درمان تضمین می شود. دکتر Edgarمی گوید: اگر بتوانیم در بافت پیوندی عروق خونی سازگار با عروق خونی میزبان بسازیم در این صورت درمان مناسب را انجام خواهیم داد.

عروق زیست مهندسی شده برای پیوند، دیابت و حمله ی قلبی

 دکتر Weissمی گوید: هدف نهایی این تحقیق تولید بافت های جایگزین مهندسی شده ای است که خود دارای عروق خونی باشند، این بافت ها برای درمان بیماریهای مختلف استفاده خواهند شد برای رسیدن به این مرحله هنوز حداقل 5 تا 10 سال دیگر به کار تحقیقاتی در این زمینه نیاز داریم.

دکتر Weissمی افزاید: استفاده از بافت هایی که دارای مویرگهای خونی باشند به بازسازی رباطها و تاندونها با کمک به اتصال بافت جدید به شبکه ی خونی  موجود کمک می کنند.

تصویر میکروسکوپی سمت چپ (سبز) رشد عروق خونی واقعی در محیط کشت را نشان می دهند در  حالیکه سمت راست (قرمز) تصویر شبیه ساز کامیپوتری از رشد عروق خونی است. تصاویر بالا رشد عروق خونی واقعی و شبیه سازی شده را هنگامیکه قطعات عروق در ماتریکس خارج سلولی از کلاژن با دانسیته ی نسبتاً پایین قرار داده شده اند را نشان می دهد. تصاویر میانی  و پایینی به ترتیب چگونگی رشد عروق خونی را در ماتریکس کلاژنی با دانسیته ی متوسط وزیاد را نشان می دهد.

بافتهایی با عروق خونی از قبل تشکیل شده "Prevascularized tissues" همچنین ممکن است برای کمک به بیماران دیابتی مبتلا به زخم های دیر ترمیم(به دلیل اختلال در گردش خون در مویرگ ها) بکار رود. پیوند گرافت های پوستی  دارای عروق خونی می تواند به جاری شدن خون در عروق بخش پیوندی کمک کرده و ترمیم زخم های دیابتی را تسریع کند.

پرفسور Weissپیش بینی می کند قطعاتی از بافت قلب که دارای عروق خونی هستند می توانند در بازسازی بخش های آسیب دیده ی قلب بر اثر حمله ی قلبی که اکسیژن رسانی  به آنها قطع شده است یا ترمیم اسکار سفت بافتی کمک کند.

او می افزاید:  اگر ما بتوانیم رگزایی را در قسمت های آسیب دیده ی قلب مجدداً انجام دهیم احتمالاً قلب به عملکرد عادی خود برخواهد گشت. درباره ی متاستاز وگسترش سرطان نیز همینطور است اکثر غدد سرطانی ابتدا با یک توده ی متراکم و بدون رگ ظاهر می شوند سپس تومور به بدن ترفند زده و تحریک رگزایی برای دریافت خون حاوی اکسیژن برای رشد و گسترش سلولهای سرطانی را آغاز می کند. عروق خونی درون تومور علاوه بر کمک به رشد سلولها، راه را برای پخش شدن سلولهای سرطانی به نقاط  دیگر بدن باز می کند. با درک بهتر پارامترهای فیزیکی تأثیرگذار بر رشد عروق و کنترل آنها می توان از رشد عروق خونی در تومورها جلوگیری کرده و جلوی متاستاز سرطان را گرفت.

دراین تحقیق دانشمندان از رشد عروق خونی واقعی در آزمایشگاه و مدل 3 بعدی شبیه سازی فرآیند رشد عروق استفاده کردند. این روش به دانشمندان کمک کرد تا تأثیر ماتریکسی با کلاژن متراکم تر را در اختلال رشد عروق کشف کنند.

برای رشد شبکه ی عروق خونی دانشمندان قطعات عروق خونی را از بافت چربی موش صحرایی استخراج کرده و آنها را در مایع بحالت معلق درآوردند. این عصاره حاوی 35 هزار قطعه ی رگ خونی در هر میلی لیتر(یک پنجم یک قاشق چایخوری) بود.

 این قطعات را برروی پلیت های پلاستیکی که دارای چاهکهای کوچکی بود، کشت دادند. این چاهک ها از ژلی مشابه با کلاژن ماتریکس خارج سلولی پر شده بودند. کلاژن بخش اعظم بافت پیوندی و ماتریکس خارج سلولی واقعی را تشکیل می دهد و در بدن با تراکم مختلف یافت می شود.

 پهنای هر چاهک 0.6 اینچ وعمق آن 0.1 اینچ بود. محققین قطعات عروق خونی موش صحرایی را به مدت 6 روز در این چاهک ها با 3 تراکم مختلف از کلاژن کشت دادند: 2 ،3 و 4 میلی گرم کلاژن در هر میلی لیتر از محلول.

عروقی که در محیط کشت با تراکم کمتر کلاژن قرار داشتند بهتر رشد کرده و شاخه زایی نموده بودند و دارای شاخه های بن بست کمتری بوده و ارتباطات بین عروق خونی در آن بیش ازعروق خونی در محیط با تراکم زیاد کلاژن بود. این شبکه ی عروق خونی درست مشابه با آنچه در پستانداران زنده دیده می شود بود.

شبیه سازی و پیش بینی رشد عروق با کامیپوتر

رشد عروق در آزمایشگاه داده هایی درباره ی طول عروق، درجه ی اتصال آنها در یک شبکه از عروق و تعداد انشعابها و انتهاهای منشعب نشده ی عروق را در اختیار دانشمندان قرار داد. این اطلاعات به دانشمندان اجازه داد برنامه ای را برای شبیه سازی سه بعدی کامیپوتری طراحی کنند که بتواند میزان تشکیل شبکه ی عروق خونی را با توجه به تراکم ماتریکس کلاژن بصورت دقیق پیش بینی کند.

 دکتر Weissمی گوید: حال ما می توانیم به همه ی سوالاتی که درباره ی هندسه ی بافت، شکل آن، مرزهای آن، تراکم اولیه و خواص مکانیکی آن است پاسخ دهیم. ما می توانیم از این مدل کامیپوتری برای پیش بینی تأثیر این فاکتورها بر طرح شبکه ی عروق خونی استفاده کنیم.

صحت شبیه ساز کامیپوتری 3 بعدی به دانشمندان کمک کرده است تا بتوانند آزمایشاتی را که در آزمایشگاه قادر به انجام آن نیستند، شبیه سازی کنند. یکی از این شبیه سازیها نشان داد که عروق خونی از محیط متراکم تر به سمت محیط با تراکم کمتر کلاژن رشد می کنند اما در جهت مخالف رشد نمی کنند. یکی دیگر از آنها نشان داد که عروق خونی در کلاژن رشد می کنند بجز در قسمتی که یک قطعه کلاژن متراکم در مرکز کلاژنی با تراکم کمتر قرار داده شده است. سومین شبیه سازی نشان داد زمانیکه محققین دو رشته از کلاژن با دانستیه ی کمتر را که با رشته هایی از کلاژن متراکم تر احاطه شده بودند در محیط کشت قرار دادند، رگهای خونی اعصاب در طول رشته ای که دانسیته ی کلاژن آن کمتر است رشد می کنند.

منبع:www.medicalnewstoday.com/releases/271604.php

مترجم: ماندانا فرخی نیا