Un approccio promettente all'ingegneria delle strutture vascolari si basa sull'uso di biomateriali microstrutturati che possono aiutare a guidare l'angiogenesi e che, come tali, sono stati ampiamente studiati in tutto il mondo, in particolare in vista del trattamento delle malattie vascolari.

Recentemente, gli scienziati dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze hanno risolto con successo un enigma nell'ingegneria dei tessuti vascolari, fornendo importanti prove sperimentali verso la comprensione e il controllo della germinazione dell'angiogenesi in vitro. Lo studio è pubblicato sulla rivista APL Bioengineering .

L'angiogenesi è un processo complesso che comporta la formazione di nuovi vasi sanguigni a partire da quelli preesistenti attraverso un processo di divisione e germogliamento dei vasi. L'angiogenesi può verificarsi in qualsiasi parte del corpo ed è così complessa che il suo controllo e/o la sua imitazione in un ambiente di laboratorio è diventato una delle sfide centrali della bioingegneria.

La piena comprensione e il controllo della formazione delle reti vascolari potrebbero aiutare a gestire un'ampia gamma di malattie, che vanno dalla rigenerazione dei vasi sanguigni danneggiati da un trauma al trattamento del cancro metastatico, rendendo l'angiogenesi controllata un Santo Graal della medicina rigenerativa.

Seguendo questa guida, i ricercatori dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Accademia Polacca delle Scienze (ICP PAS) hanno condotto una serie di esperimenti sull’evoluzione delle reti capillari in germogliazione utilizzando gel di fibrina come materiale di supporto simile ai tessuti e hanno stabilito possibili principi dinamici generali governando la germinazione dell'angiogenesi.

Prima di questa ricerca rivoluzionaria, lo studio dell'evoluzione delle reti microvascolari in germogliazione si basava in gran parte sull'analisi di un singolo, o al massimo di diversi punti temporali nella coltura. Sebbene questo approccio fosse sufficiente per stimare le tendenze generali della crescita, non ha mai permesso di decifrare le diverse fasi dell'evoluzione microvascolare in vitro.

Per scoprire le possibili regole che governano la dinamica angiogenetica, sono stati proposti molti e diversi approcci teorici a vari livelli di complessità. Sfortunatamente, un confronto diretto delle previsioni teoriche con gli esperimenti è stato limitato a causa della scarsità di dati sperimentali risolti nel tempo, quindi la maggior parte degli studi teorici si è basata solo su un confronto qualitativo delle morfologie tardive.

Questo enigma è stato recentemente risolto con nuovi esperimenti e strumenti di analisi automatizzata delle immagini sviluppati su misura da un team di ricercatori dell'IPC PAS e dai loro collaboratori dell'Istituto di fisica teorica dell'Università di Varsavia. Nel loro lavoro, i ricercatori hanno dimostrato la possibilità di estrarre caratteristiche statistico-topologiche dettagliate della germinazione delle reti microvascolari.

Uno degli obiettivi del progetto era lo sviluppo di test farmacologici basati sull'angiogenesi più affidabili e riproducibili, nonché di nuove strategie per l'ingegneria dei tessuti vascolari. Come funziona?

I ricercatori hanno isolato le reti microvascolari in germogliazione e ne hanno monitorato la crescita giorno per giorno per 14 giorni in condizioni di coltura ben controllate. Hanno registrato una serie di parametri morfometrici come la lunghezza complessiva dei germogli, la loro area, nonché le distribuzioni statistiche delle lunghezze dei singoli rami o degli angoli di ramificazione.

Sulla base delle immagini microscopiche raccolte da più esperimenti paralleli, è stata eseguita un'analisi statistica su larga scala. Allo stesso tempo, le osservazioni si sono concentrate sulla dinamica della formazione della rete vascolare per determinare le caratteristiche dei processi di crescita angiogenica. L'obiettivo era comprendere la complessità delle prime fasi dell'angiogenesi che includono la formazione di germogli e le loro biforcazioni seguite dalla formazione di interconnessioni, ecc.

Il dottor Rojek, il primo autore di questo lavoro, afferma:"Riteniamo che il nostro lavoro sia unico poiché costruiamo il nostro modello di formazione ed evoluzione delle reti vascolari germogliate su una grande quantità di dati biologici.

"Finora, la maggior parte delle conclusioni e delle regole sono state fornite dalla modellazione matematica, che è uno strumento molto potente ma spesso soffre di semplificazioni eccessive e non riesce a riprodurre i sistemi biologici reali. Ciò sottolinea quanto sia importante la stretta collaborazione tra sperimentali e teorici."

Gli autori hanno sviluppato nuovi protocolli di analisi delle immagini che hanno permesso loro di determinare i parametri sopra menzionati in modo automatizzato.

"Il nostro software, scritto nel linguaggio di programmazione Python, è ottimizzato per l'elaborazione di una grande quantità di dati provenienti da più esperimenti. Fornisce un solido background in termini di implementazione e offre tempi di calcolo rapidi.

"I dati risolti nel tempo che coprono l'intera vita delle reti, ci hanno permesso di proporre regole di base che governano lo sviluppo topologico dei microvascolari in germogliazione", aggiunge il Ph.D. il candidato Antoni Wrzos e il prof. Szymczak che ha guidato lo sviluppo del software di analisi dei dati.

Gli scienziati hanno eseguito studi monitorando giorno per giorno l'evoluzione delle reti emergenti con l'uso del linguaggio di programmazione Python per fornire i dettagli della topologia delle reti, compresi gli angoli di ramificazione e le relative distribuzioni. Gli studi presentati hanno prodotto un'ampia libreria di dati sulle tipiche fasi di formazione della rete.

In particolare, tali fasi includevano (i) uno stadio iniziale inattivo in cui le cellule proliferavano senza formare germogli, (ii) uno stadio di crescita rapida in cui i germogli si allungavano e si ramificavano e (iii) uno stadio di maturazione finale in cui il tasso di crescita rallentava giù. Le analisi hanno inoltre fornito dati sulle differenze di crescita in diversi mezzi che indicano l'impatto del fattore di crescita endoteliale vascolare aggiunto sul comportamento delle cellule in coltura.

L'effetto più importante dei mezzi "arricchiti" è stato l'anticipo della germogliazione e l'aumento del numero di rami, mentre il tasso lineare di crescita dei rami è rimasto indipendente dal fattore di crescita aggiunto. L'analisi morfometrica statistica effettuata dai ricercatori dell'IPC PAS ha inoltre rivelato che gli angoli di ramificazione oscillavano attorno ad un valore medio che, sorprendentemente, appariva vicino al valore "magico" di 72 gradi caratteristico dei cosiddetti modelli di crescita laplaciani, questi ultimi tipicamente applicato per descrivere la crescita di cristalli o la dissoluzione di rocce fratturate.

L'analogia suggerisce che, proprio come nei modelli laplaciani, le punte in avanzamento dei germogli possono tendere a seguire i gradienti locali della concentrazione del fattore di crescita.

"Collettivamente, i nostri risultati, grazie alla loro elevata rilevanza statistica, possono servire, ad esempio, come punto di riferimento per modelli predittivi. Studi futuri potrebbero potenzialmente fornire una migliore comprensione di come i segnali esterni influenzano la vascolarizzazione nei biomateriali con semi endoteliali incorporati e aiutare a ottimizzare strategie di riparazione dei tessuti, ad esempio attraverso una corretta progettazione delle medicazioni prevascolarizzate," osserva il dottor Guzowski.

Poiché l'angiogenesi è un processo complesso che dipende da molti fattori, in questo lavoro i ricercatori hanno fornito risultati che possono essere utili per comprendere l'angiogenesi in vitro, ad esempio durante i test antidroga e nell'ingegneria dei tessuti. Il lavoro presentato può rappresentare un passo avanti verso una sperimentazione più rapida ed efficace di nuovi farmaci e lo sviluppo di trattamenti medici personalizzati.

Sulla base delle analisi numeriche, gli studi proposti hanno un potenziale di miglioramento dei risultati degli studi di screening ad alto rendimento. Gli autori sottolineano l'importanza dello sviluppo di librerie di dati come uno dei passaggi più critici nell'identificazione di potenziali farmaci candidati e nelle future applicazioni in bioingegneria. Oltre all'aspetto scientifico degli studi dimostrati, gli autori sottolineano l'importanza dell'interdisciplinarietà nella ricerca.